WO2025183136A1 - 光検出器 - Google Patents

光検出器

Info

Publication number
WO2025183136A1
WO2025183136A1 PCT/JP2025/007037 JP2025007037W WO2025183136A1 WO 2025183136 A1 WO2025183136 A1 WO 2025183136A1 JP 2025007037 W JP2025007037 W JP 2025007037W WO 2025183136 A1 WO2025183136 A1 WO 2025183136A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
well
barrier layer
photodetector
well layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2025/007037
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
英樹 宮崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Publication of WO2025183136A1 publication Critical patent/WO2025183136A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements

Definitions

  • This disclosure relates to a photodetector.
  • Mid-infrared light with wavelengths of 3 to 10 ⁇ m is an important wavelength range for temperature measurement, night vision, gas measurement, and other applications.
  • HgCdTe has been widely used as an infrared detector for this wavelength range.
  • alternative photodetectors are needed, and quantum well infrared detectors that utilize intersubband transitions in quantum wells are seen as one promising option. These detectors are disclosed, for example, in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1.
  • quantum well infrared detectors There are two types of quantum well infrared detectors: photoconductive and photovoltaic. Of these, photovoltaic quantum well infrared detectors require delicate quantum well design, but because they have no dark current, they are considered suitable for use in camera detection elements with limited electron storage capacity, as well as high-temperature and high-speed operating photodetectors. Among photovoltaic quantum well infrared detectors, quantum cascade detectors in particular have attracted attention because they can achieve photovoltaic operation through their cascade quantum well structure; for example, these are disclosed in Patent Document 3 and Non-Patent Documents 2 and 3.
  • One of the most important performance characteristics of a photodetector is the ratio of noise to sensitivity (signal-to-noise ratio), which is its detectability.
  • the main noise in a photovoltaic photodetector operating under unbiased conditions is Johnson noise. Johnson noise is inversely proportional to the 1/2 power of the unbiased resistance, so this noise can be reduced by increasing the resistance.
  • conventional quantum cascade detectors have a binary structure, with only one type of conduction band energy in the barrier layer and well layer. This means that current leakage from the ground state to the intermediate subband cannot be ignored, making it difficult to achieve high resistance. As a result, conventional quantum cascade detectors have the problem of being unable to ensure a sufficient signal-to-noise ratio.
  • the objective of this disclosure is to provide a quantum well photodetector that can achieve high detection capabilities by solving the problem of the signal-to-noise ratio of the quantum well photodetectors described above, particularly quantum cascade photodetectors.
  • a photodetector is a photodetector in which a first conductor layer, a detection layer, and a second conductor layer are sequentially disposed from a first surface side, the detection layer has a quantum well including, in order from the surface in contact with the first conductor layer, a first barrier layer, a first well layer which is an excitation well layer, a second barrier layer, a second well layer which is a transition well layer, and a third barrier layer; the first well layer has at least a ground level and an excited level; the energy levels of the conduction band energies of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer are higher than the excitation level; the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer each have a thickness that allows a tunnel current to flow;
  • the second well layer has two or more levels A n (n is an integer starting from 1), one of which, level A 1 , is in contact with the first surface on which the
  • a photodetector is a photodetector in which a first conductor layer, a detection layer, and a second conductor layer are sequentially disposed from a first surface side, the detection layer has a quantum well including, in order from the surface in contact with the first conductor layer, a first barrier layer, a first well layer which is an excitation well layer, a second barrier layer, a second well layer which is a transition well layer, and a third barrier layer; the first well layer has a fundamental subband and one or more higher-order subbands; the energy levels of the conduction band energies of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer are higher than the maximum energy level of the higher-order subband; the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer each have a thickness that allows a tunnel current to flow;
  • the second well layer includes two or more subbands composed of a plurality of regions of different conduction band energy, in which
  • a photodetector is a photodetector including a barrier layer with high conduction band energy and a well layer with low conduction band energy in a detection layer, and generating a photocurrent by utilizing intersubband absorption occurring in the well layer, an electron supply layer, a first barrier layer and each of the first to m-th (m is a natural number of 2 or more) barrier layer and m-th (m is a natural number of 2 or more) well layer, an (m+1)-th barrier layer, and an electron collection layer are sequentially disposed from the first surface side;
  • the first well layer has a ground subband having the lowest energy level and one or more higher-order subbands having an energy level higher than that of the ground subband, and absorbs light to excite photoelectrons from the ground subband to an excited subband consisting of one or more of the higher-order subbands;
  • the second well layer to the mth well layer transport photoelectrons toward the
  • a photodetector is a photodetector including a barrier layer having a low valence band energy and a well layer having a high valence band energy in a detection layer, and generating a photocurrent by utilizing intersubband absorption occurring in the well layer, a hole supply layer, a first barrier layer and each of the first to m-th (m is a natural number of 2 or more) barrier layer and m-th (m is a natural number of 2 or more) well layer, an (m+1)-th barrier layer, and a hole collection layer are sequentially disposed from the first surface side;
  • the first well layer has a ground subband having the highest energy level and one or more higher-order subbands having an energy level lower than that of the ground subband, and absorbs light to excite holes from the ground subband to an excitation subband consisting of one or more of the higher-order subbands;
  • the second well layer is composed of a plurality of regions with different valence band energies, and has two or more subbands that are stepped and/or gradient from the first surface side where the second barrier layer is disposed to the second surface side where the third barrier layer is disposed, with the energy level monotonically lower on the first surface side and higher on the second surface side.
  • This disclosure makes it possible to provide a quantum well photodetector that has high resistance, reduces Johnson noise, and provides high detection capability with an excellent signal-to-noise ratio.
  • FIG. 1 is a cross-sectional structural view illustrating an outline of the structure of a photodetector according to the present disclosure.
  • 1 is a structural diagram showing a cross-sectional view of the structure of a main part of a quantum well infrared detector.
  • FIG. 2 is a band structure diagram illustrating the conduction band energy structure and subbands of a photodetector according to the present disclosure.
  • FIG. 1 is a band structure diagram illustrating the conduction band energy structure and subbands of a conventional quantum cascade detector.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing the calculated spatial and energy distance dependence of the conductance from the base subband to an arbitrary subband.
  • 1 is a characteristic diagram showing a comparison of the sensitivity spectrum of a photodetector having the band structure shown in FIG.
  • Example 3 and Table 1 of Example 1 when no bias is applied with that of a conventional method where the measurement temperature is 77K.
  • 3A is a characteristic diagram showing the current characteristics and resistance at no bias of a photodetector having the band structure shown in FIG. 3 and Table 1 of Example 1
  • FIG. 3B is a characteristic diagram for the conventional method having the band structure shown in FIG. 4 and Table 2.
  • the measurement temperature is 77 K.
  • 1 is a characteristic diagram showing the specific detectivity spectrum of a photodetector having the band structure of FIG. 3 and Table 1 in Example 1 in comparison with a conventional method when no bias is applied, where the measurement temperature is 77 K.
  • FIG. 1A and 1B are structural diagrams of a plasmon resonator-integrated quantum well infrared detector fabricated in Example 2, and FIG. 1C is an SEM photograph showing a prototype example thereof.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of sensitivity in the absence of bias of a photodetector having the band structure shown in FIG. 3 and Table 1 of Example 1 in comparison with a conventional method.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of resistance R 0 A in the absence of bias of a photodetector having the band structure shown in FIG. 3 and Table 1 of Example 1 in comparison with a conventional method.
  • FIG. 10 is a band structure diagram illustrating the conduction band energy structure and subbands of a photodetector according to a third embodiment of the present disclosure.
  • A-B in the text means A and up to B, that is, greater than or equal to A and less than or equal to B.
  • Quantum cascade detectors have been the focus of intensive research in recent years as a promising structure for photovoltaic quantum well infrared detectors.
  • Quantum cascade detectors have a binary structure in which the barrier layer and well layer each have a single conduction band energy, and the energy of photoexcited electrons is transported toward the electron collection layer by stepping down the energy in fixed energy increments using high-speed polar optical phonon scattering to prevent backflow.
  • the resistance of a quantum well infrared detector increases as the spatial and energy distance of the wave function from the fundamental subband to the other subbands increases. Therefore, to increase the resistance, it is necessary to position the subband that transports electrons as far away from the fundamental subband as possible in terms of space and energy.
  • each layer is only a few nanometers thick, and well layers closer to the initial stage, such as the second and third well layers, need to be thinner in order to achieve a higher subband position.
  • Non-Patent Document 2 a resistance of only 1000 ⁇ cm2 was achieved at a temperature of 77 K, even with 40 periods of repeated detection unit structures. This was only 25 ⁇ cm2 per period of the detection unit structure.
  • the structure of the second well layer which is the first step in the transport of excited photoelectrons, is devised, with the second well layer having a structure in which small well layers are incorporated within a single well layer, with multiple regions of different conduction band energies.
  • Two or more subbands arranged above and below each other are realized within the second well layer, and polar optical phonon scattering within the second well layer alone enables a rapid one-step energy drop to a spatially distant subband. In this way, electron backflow is prevented compared to conventional quantum cascade detectors, while achieving resistance that is one order of magnitude higher and achieving low noise.
  • the structure of the device of embodiment 1 can be defined by at least one of structure 1, which is defined by the position of the energy level, structure 2, which is defined by the position of the conduction band energy, and structure 3, which is defined by the repeating unit of the quantum well.
  • a photodetector 1001 is configured such that a first conductor layer 1, a detection layer 2, and a second conductor layer 3 are sequentially arranged from the first surface side.
  • light 15 is depicted as being incident from the first surface side, but this is not a limitation, and light may be incident from the second surface side, which is the opposite surface side to the first surface side.
  • Figure 3 is an energy band diagram (energy state diagram) of the detection layer 2.
  • the detection layer 2 comprises a quantum well that is sequentially provided, from the side in contact with the first conductor layer 1 (1a), with a first barrier layer 102, a first well layer 103 which is an excitation well layer, a second barrier layer 104, a second well layer 105 which is a transition well layer, and a third barrier layer 106.
  • the first well layer 103 has at least a ground level and an excited level.
  • the first well layer 103 is preferably formed with n-type impurities.
  • the effective mass of electrons is generally smaller than the effective mass of holes, resulting in high light absorption efficiency and fast response in the detection layer 2. Furthermore, the abundance of research examples makes it easy to design the detection layer 2 with high precision.
  • the conduction band energy levels of the first barrier layer, second barrier layer 104, and third barrier layer 106 are higher than the excitation level of the first well layer 103.
  • the thicknesses of the first barrier layer, second barrier layer 104, and third barrier layer 106 are such that a tunneling current can flow through them.
  • the second well layer 105 has two or more levels A n (n is an integer starting from 1).
  • One of the levels, level A 1 is in contact with the first surface on which the second barrier layer 104 is disposed, and is substantially equal to the excitation level of the first well layer 103.
  • Another level A n' (n' is an integer of 2 or more) of the second well layer 105 is in contact with the second surface on which the third barrier layer 106 is disposed, and is an energy level equal to or lower than level A 1 .
  • the energy difference between the level A1 and the excitation level of the first well layer 103 is preferably 0 meV to 15 meV (more preferably 0 meV to 10 meV). When the energy difference is within this range, photoelectrons and energy are efficiently transported and backflow of photoelectrons is suppressed, thereby improving the sensitivity and resistance as a photodetector.
  • the first conductor layer 1 has a first conductive layer 1a and a first metal electrode 1b.
  • the first conductive layer 1a preferably has the property of forming an ohmic connection between the first metal electrode 1b and the detection layer 2; from this perspective, the first conductive layer 1a also functions as a first contact layer.
  • the second conductor layer 3 has a second conductive layer 3a and a second metal electrode 3b.
  • the second conductive layer 3a preferably has the property of forming an ohmic connection between the second metal electrode 3b and the detection layer 2; from this perspective, the second conductive layer 3a also functions as a second contact layer.
  • Incident light 15 is incident through the first conductor layer 1a or the second conductor layer 3a, and the first conductor layer 1a and/or the second conductor layer 3a are transparent to the incident light 15.
  • the first conductor layer 1 and the second conductor layer 3 comprise, as part of their structure, a mixed crystal consisting of one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • the mixed crystal be in contact with the detection layer 2.
  • the first conductive layer 1a and the second conductive layer 3a are preferably made of one or more materials selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • This material composition ensures good electrical contact between the first metal electrode 1b and the detection layer 2, and between the second metal electrode 3b and the detection layer 2.
  • the detection layer 2 preferably contains one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge. It is also preferable that the detection layer 2 be a mixed crystal consisting of one or more elements selected from this group. It is also preferable that the detection layer 2 consists of one or more elements selected from this group.
  • the second well layer 105 has multiple energy levels that decrease the further away it is from the first well layer 103.
  • polar optical phonon scattering within the second well layer 105 causes a rapid one-step energy drop in a spatially distant subband, causing the flow of photoelectrons to become one-way and increasing resistance.
  • a cascade well layer group having one or more pairs of cascade well layers and barrier layers between the third barrier layer 106 and the second conductor layer 3a in the detection layer 2, and in particular a cascade well layer group in which the energy level of the ground subband in the cascade well layer monotonically decreases from the third barrier layer 106 toward the second conductor layer, as this further improves sensitivity and response speed.
  • a photodetector 1001 is formed by sequentially disposing a first conductive layer 1, a detection layer 2, and a second conductive layer 3 from the incident surface side of light 15.
  • the detection layer 2 comprises a quantum well that is sequentially provided from the surface in contact with the first conductor layer 1 (1a), as shown in the energy band diagram (energy state diagram) of Figure 3, with a first barrier layer, a first well layer 103 which is an excitation well layer, a second barrier layer 104, a second well layer 105 which is a transition well layer, and a third barrier layer 106.
  • the first well layer 103 has a ground subband and one or more higher-order subbands, the energy levels of the conduction band energy of the first barrier layer 102, second barrier layer 104, and third barrier layer 106 are higher than the maximum energy level of the higher-order subbands, and the thicknesses of the first barrier layer 102, second barrier layer 104, and third barrier layer 106 are such that a tunneling current flows.
  • the first well layer 103 is preferably formed with n-type impurities. With n-type impurities, the effective mass of electrons is generally smaller than the effective mass of holes, which has the effect of high light absorption efficiency and fast response. In addition, the abundance of research examples makes high-precision design easy.
  • the second well layer 105 includes two or more subbands composed of multiple regions of different conduction band energy.
  • the energy level of the conduction band energy within the second well layer 105 decreases stepwise and/or in a gradual manner from the second barrier layer 104 to the third barrier layer 106.
  • the first conductor layer 1 consists of a first conductive layer 1a that transmits incident light 15 and a first metal electrode 1b.
  • the first conductive layer 1a preferably has the property of forming an ohmic connection between the first metal electrode 1b and the detection layer 2; from this perspective, the first conductive layer 1a also functions as a first contact layer.
  • the second conductor layer 3 consists of a second conductive layer 3a and a second metal electrode 3b.
  • the second conductive layer 3a preferably has the property of forming an ohmic connection between the second metal electrode 3b and the detection layer 2; from this perspective, the second conductive layer 3a also functions as a second contact layer.
  • the first conductor layer 1 and the second conductor layer 3 comprise, as part of their structure, a mixed crystal consisting of one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • the mixed crystal be in contact with the detection layer 2.
  • the first conductive layer 1a and the second conductive layer 3a are preferably made of one or more materials selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • This material composition ensures good electrical contact between the first metal electrode 1b and the detection layer 2, and between the second metal electrode 3b and the detection layer 2.
  • the detection layer 2 preferably contains one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge. It is also preferable that the detection layer 2 be a mixed crystal consisting of one or more elements selected from this group. It is also preferable that the detection layer 2 be made of one or more elements selected from this group. The inclusion of a material from this group makes it possible to control the crystallinity, thickness, and flatness at the atomic layer level. The required conduction band energy can be achieved by forming a mixed crystal consisting of materials from this group. By using materials from this group, it is possible to design a detection layer structure that meets requirements and realize it exactly as designed.
  • the second well layer 105 is composed of multiple regions with different conduction band energies, and the energy level of this conduction band energy decreases in a step-like and/or gradient manner from the second barrier layer 104 to the third barrier layer 106. As a result, the flow of photoelectrons in the detection layer 2 becomes one-way, and resistance increases.
  • the sensitivity and response speed of the detection layer 2 are further improved, which is preferable.
  • the photodetector 1001 of Structure 3 has a first conductor layer 1, a detection layer 2, and a second conductor layer 3 arranged in this order from the incident surface side of light 15, and includes a barrier layer with high conduction band energy and a well layer with low conduction band energy within the detection layer 2.
  • the photodetector 1001 is a semiconductor photodetector that generates a photocurrent by utilizing intersubband absorption occurring in the well layer.
  • m is an integer of 2 or more
  • the first well layer 103 has a ground subband with the lowest energy level and one or more higher-order subbands with an energy level higher than that of the ground subband, and absorbs light to excite photoelectrons from the ground subband to an excited subband consisting of one or more of the higher-order subbands.
  • the first well layer 103 is preferably formed with n-type impurities. With n-type impurities, the effective mass of electrons is generally smaller than the effective mass of holes, resulting in high light absorption efficiency and fast response. Furthermore, the abundance of research examples makes it easy to design with high precision.
  • the second well layer 105 is composed of multiple regions with different conduction band energies.
  • the second well layer 105 has two or more subbands with a monotonically higher energy level on the A-side and a lower energy level on the B-side in a stepped and/or gradient manner from the A-side where the second barrier layer 104 is disposed to the B-side where the third barrier layer 106 is disposed.
  • a rapid one-step energy drop occurs in a spatially distant subband due to polar optical phonon scattering only within the second well layer 105.
  • the mth well layer transports photoelectrons from the second well layer 105 toward the electron collection layer. In this way, a low-noise photodetector is provided that achieves high resistance while preventing backflow of electrons compared to conventional quantum cascade detectors.
  • the squared center of gravity of the wave function of the ground subband of the second well layer 105 is preferably located 15 nm or more and 100 nm or less away from the squared center of gravity of the wave function of the ground subband of the first well layer 103.
  • the squared center of gravity is located within this range, electrons can be transported as far as possible while maintaining the coherency of the wave function, thereby achieving high resistance.
  • any higher-order subband in the first well layer 103 is coupled to a higher-order subband in the second well layer 105, forming a bonding band and an antibonding band originating from each subband.
  • the formation of a bonding band and an antibonding band creates the effect of efficiently transporting electrons from the first well layer 103 to the second well layer 105 at high speed due to the coherent resonant tunneling effect.
  • the energy difference between the bonding band and antibonding band is preferably 0.1 meV or more and 15 meV or less. When the energy difference between the bonding band and antibonding band is in this range, it is particularly effective in suppressing the backflow of electrons.
  • the contribution of polar optical phonon scattering be maximized in the relaxation transition from the higher subband of the second well layer 105 to the ground subband of the second well layer 105.
  • the contribution of polar optical phonon scattering is maximized, the effect of electrons transitioning from one subband to another subband occurs efficiently and quickly is achieved.
  • the energy difference between the higher subbands of the second well layer 105 and the ground subband of the second well layer 105 is preferably greater than 15 meV and less than or equal to 60 meV.
  • the energy difference between the subbands is in this range, electrons transition to the next level efficiently and quickly due to resonance with the energy of the LO phonons (36 meV in the case of GaAs).
  • the first conductor layer 1, like structures 1 and 2 consists of a first conductive layer 1a that transmits incident light 15 and a first metal electrode 1b.
  • the first conductive layer 1a preferably has the property of forming an ohmic connection between the first metal electrode 1b and the detection layer 2, and from this perspective, it also functions as a first contact layer.
  • the second conductor layer 3 consists of a second conductive layer 3a and a second metal electrode 3b.
  • the second conductive layer 3a preferably has the property of forming an ohmic connection between the second metal electrode 3b and the detection layer 2, and from this perspective, the second conductive layer 3a also functions as a second contact layer.
  • the first conductor layer 1 and the second conductor layer 3 comprise, as part of the structure, a mixed crystal consisting of one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • the mixed crystal be in contact with the detection layer 2.
  • the first conductive layer 1a and the second conductive layer 3a are preferably made of one or more materials selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • This material composition ensures good electrical contact between the first metal electrode 1b and the detection layer 2, and between the second metal electrode 3b and the detection layer 2.
  • the detection layer 2 preferably contains one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge. It is also preferable that the detection layer 2 be a mixed crystal consisting of one or more elements selected from this group. It is also preferable that the detection layer 2 consists of one or more elements selected from this group. The inclusion of materials from these groups makes it possible to control the crystallinity, thickness, and flatness at the atomic layer level. The mixed crystal consisting of materials from these groups has the effect of achieving the required conduction band energy level. Using materials from these groups makes it possible to design a detection layer structure that meets requirements and realize that exact structure.
  • the detection layer 2 can be fabricated by growing an epitaxial crystal on a single crystal by molecular beam epitaxy (MBE), as in the structures 1 and 2.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • Other methods include stacking layered materials such as WS2 , WSe2 , MoS2 , MoSe2 , black phosphorus, graphene, and hexagonal BN.
  • the detection layer 2 may also be configured with two or more layer structures arranged in series.
  • One layer structure includes m pairs of barrier layers and well layers (first barrier layer 102, first well layer 103, second barrier layer 104, second well layer 105, ..., mth barrier layer, mth well layer) (m: an integer of 2 or greater).
  • one or more of the first barrier layer 102, the first well layer 103, the second barrier layer 104, the second well layer 105, and the third well layer 107 may have a superlattice structure composed of multiple barrier layers and well layers. Introducing a superlattice structure allows for more flexible setting of subband energies, and the formation of minibands creates a width in the energy levels, enabling robust electron transport that is not dependent on fabrication errors.
  • the photodetector of the second embodiment is a photodetector in which the performance such as sensitivity is dramatically improved by combining a plasmon resonator with the quantum well photodetector described in the first embodiment.
  • the quantum well photodetector (plasmon resonance quantum well infrared detector) 1004 using a plasmon resonator of embodiment 2 has a quantum function layer and a first metal electrode 11b stacked in this order on a metal layer 13c.
  • the quantum function layer is made of a detection layer 12 sandwiched between a first contact layer 11a and a second contact layer 13a, as described in embodiment 1.
  • island-shaped or mesh-shaped metal patches 17 are formed on the quantum function layer in the photodetection region.
  • a metal layer 13c, to which the second metal electrode 13b is electrically connected, is disposed below the quantum function layer, with the quantum function layer being sandwiched between the metal patch 17 and the metal layer 13c.
  • the metal layer 13c may be a metal substrate that constitutes a substrate in itself, or it may be a metal layer 13c formed on a substrate with sufficient rigidity, such as a semiconductor substrate 13d made of Si or GaAs.
  • the metal layer 13c is formed on the surface of a semiconductor substrate 13d made of GaAs.
  • the material of the metal layer 13c there are no particular restrictions on the material of the metal layer 13c, as long as it is a conductor whose real part of the dielectric constant has a negative value, but a material with a small imaginary part of the dielectric constant is preferable.
  • materials that can be used for the metal layer 13c include gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), and molybdenum (Mo).
  • the material of the metal layer 13c is not necessarily limited to metal, and transparent conductors such as ITO, AZO, and GZO can also be used.
  • a second contact layer 13a is disposed between the detection layer 12 and the metal layer 17.
  • the detection layer 12 is in ohmic contact with the metal layer 13c, which is preferable for increasing the sensitivity and output of the photodetector.
  • the thickness of the quantum functional layer is a film thickness that causes plasmon resonance.
  • a specific range is that the thickness D between the metal patch 17 and the metal layer 13c (i.e., the combined thickness of the detection layer 12, first contact layer 11a, and second contact layer 13a) is greater than 0 and less than ⁇ /(2n).
  • the refractive index n is the average refractive index of the detection layer 12, first contact layer 11a, and second contact layer 13a for the wavelength ⁇ of the incident light.
  • the thickness D is a thickness that sufficiently causes plasmon resonance for incident light of the desired wavelength based on Maxwell's equations.
  • the material of the metal patch 17 there are no particular restrictions on the material of the metal patch 17, as long as it is a conductor whose real part of the dielectric constant has a negative value, but a material with a small imaginary part of the dielectric constant is preferable.
  • materials that can be used for the metal patch 17 include gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), and molybdenum (Mo).
  • the material of the metal patch 17 is not necessarily limited to metal; transparent conductors such as ITO, AZO, and GZO can also be used.
  • the metal patches 17 are preferably arranged in an array (linear array, one-dimensional array) or matrix (lattice array, two-dimensional array), for example. Also, instead of arranging the metal patches 17 in an array or matrix, a metal layer with periodic openings formed in a mesh pattern (also called a mesh pattern) can be used. This is to maximize the use of incident light for plasmon resonance, thereby improving sensitivity and output.
  • the pattern pitch P and pattern width L of the metal patch 17 are preferably set to a size that sufficiently induces plasmon resonance for incident light of the desired wavelength based on Maxwell's equations.
  • the pattern pitch P of the metal patch 17 can be set to a value between 0.5 ⁇ m and 200 ⁇ m. For example, to detect light with a wavelength of 7.0 ⁇ m, it is preferable to set the pattern width L to 0.99 ⁇ m and the pitch P to 2.5 ⁇ m.
  • the height of the metal patch 17 be thick enough to sufficiently induce plasmon resonance, but thin enough not to block light.
  • the height of the metal patch 17 can be, for example, between 30 nm and 300 nm.
  • the photodetector of embodiment 2 may be configured such that the order of the first and second conductor layers, formed from the first conductor layer 11 side and sandwiching the detection layer 12, is reversed.
  • the detector becomes a plasmon resonance quantum well infrared detector 1005, in which, for example, the first contact layer 11a is formed in contact with the metal layer 11c, and then the detection layer 12, the second contact layer 13a, and the second metal electrode 13b are formed sequentially on the first contact layer 11a.
  • the outermost surface of the detection layer 12 faces the electron supply layer 101 or the electron collection layer 109 simply differs in the fabrication procedure, and no particular difference in performance results regardless of which is selected.
  • the photodetector 1004 of embodiment 2 combines the quantum well photodetector described in embodiment 1, which has a dramatically improved S/N ratio, with a plasmon resonator, which dramatically increases sensitivity, without compromising the characteristics of either, resulting in a photodetector with excellent S/N ratio and sensitivity.
  • the photodetector of the third embodiment is a photodetector that uses holes instead of electrons.
  • photodetection is performed using the flow of photoelectrons.
  • a photodetector with an inverse polarity structure By incorporating the characteristics of the second well layer of the present disclosure, it is also possible to provide a photodetector with an inverse polarity structure. In other words, by reversing the energy hierarchy, such as replacing electrons with holes, n-type with p-type, and the conduction band with the valence band, a photodetector with an inverse polarity structure can be provided.
  • the light detection wavelength of the photodetectors disclosed in embodiments 1, 2, and 3 is not particularly limited due to its operating principle, and can target, for example, far-ultraviolet, ultraviolet, visible, infrared, and far-infrared wavelength regions from 100 nm to 1000 ⁇ m. Therefore, the 3-10 ⁇ m infrared region of conventional photodetectors using HgCdTe, as mentioned in the background, can also be detected, and the present disclosure makes it possible to avoid the problem of toxic contamination by Hg and Cd.
  • GaAs which is easy to consistently manufacture with excellent quality in terms of crystallinity and low defect levels, is particularly suitable as a material for the detection layer 2 of the photodetector disclosed herein.
  • GaAs When GaAs is used for the detection layer, its bandgap control range makes it possible to provide a photodetector that can effectively detect light in the infrared region with wavelengths of 4 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • Example 1 In Example 1, a photodetector 1002, which is a specific example of the photodetector 1001 described in Embodiment 1, was fabricated as a prototype, and its evaluation results are shown in comparison with a conventional photodetector having the band structure shown in FIG. 4 . Like the photodetector 1001, the photodetector 1002 includes a detection layer 2 having the band structure shown in FIG. 3 .
  • FIG. 2A is a structural diagram showing a cross-sectional view of the structure of the main part of the photodetector 1002.
  • FIG. 2B is a structural diagram showing a cross-sectional view of the structure of the main part of a photodetector 1003, which is a modified example of the photodetector 1002.
  • the photodetector 1002 used a GaAs substrate as the conductive substrate 13c (see FIG. 2A ).
  • the photodetector 1003 used a GaAs substrate as the conductive substrate 21c (see FIG. 2B ). More specifically, n-type GaAs was used as the GaAs constituting each of the substrates 13c and 21c.
  • the doping amount of n-type GaAs constituting substrate 13c was determined by prioritizing high electrical conductivity over high optical transmittance.
  • the doping amount of n-type GaAs constituting substrate 21c was determined by prioritizing high optical transmittance over high electrical conductivity. In other words, the doping amount of n-type GaAs constituting substrate 21c is lower than the doping amount of n-type GaAs constituting substrate 13c.
  • the photodetector 1002 includes a first contact layer 11a, a first metal electrode 11b, a detection layer 12, a second contact layer 13a, a second metal electrode 13b, and a substrate 13c.
  • the first contact layer 11a and the first metal electrode 11b form a first conductor layer
  • the second contact layer 13a, the second metal electrode 13b, and the substrate 13c form a second conductor layer 13.
  • the photodetector 1003 comprises a first contact layer 21a, a first metal electrode 21b, a substrate 21c, a detection layer 22, a second contact layer 23a, and a second metal electrode 23b.
  • the first contact layer 21a, first metal electrode 21b, substrate 21c, detection layer 22, second contact layer 23a, and second metal electrode 23b of the photodetector 1003 correspond to the first contact layer 11a, first metal electrode 11b, substrate 13c, detection layer 12, second contact layer 13a, and second metal electrode 13b of the photodetector 1002, respectively.
  • the doping amount of n-type GaAs is determined so that the transmittance of light ray 25 exceeds a predetermined transmittance.
  • one side of substrate 21c (the side located on the left side in Figure 2(b)) is polished so that it forms a 45° angle with respect to the main surface.
  • Light ray 25 enters substrate 21c from the side that forms a 45° angle with respect to the main surface and reaches first contact layer 21a.
  • ⁇ Element structure> The band structure (conduction band energy structure and subband wave functions) of the detection layer 12 of the photodetector 1001 according to Example 1 is shown in Fig. 3, and its detailed layer structure is shown in Table 1. As a comparative example, a conventional quantum cascade detector shown in Fig. 4 and Table 2 was fabricated.
  • Example 1 In most photovoltaic quantum well infrared detectors reported to date, the same detection unit structure is repeated several dozen times. However, in Example 1, a basic structure with only one detection unit structure is described, so that only the characteristics determined by each barrier layer and each well layer can be clearly observed and compared.
  • the photodetector 1002 electrons are supplied from the electron supply layer 101, and an amount of photoelectrons proportional to the brightness of the incident light 15 is excited in the first well layer 103. The photoelectrons are then transported to the right, reaching the electron collection layer 109 located on the right end side, where they are detected by an external circuit.
  • the comparative quantum cascade detector was designed with reference to Non-Patent Document 2, with the detection wavelength and the thickness of each barrier layer and well layer being as similar as possible to those in Figure 3 and Table 1.
  • the section from the electron supply layer 201 to the first barrier layer 202 has the same structure as the section from the electron supply layer 101 to the first barrier layer 102 of the photodetector 1002 of Example 1.
  • the section from the third well layer 207 to the electron collection layer 209 has the same structure as the section from the third well layer 107 to the electron collection layer 109.
  • the comparative quantum cascade detector includes the second well layer 205 to the fourth barrier layer in the portion corresponding to the second well layer 105 and third barrier layer 106 of the photodetector 1002 of Example 1. Therefore, the latter common portion corresponds to the fourth well layer and beyond in the comparative quantum cascade detector.
  • a first metal electrode is located at the left end of Example 1 (FIG. 3) and the comparative quantum cascade detector (FIG. 4). Each first metal electrode is followed by a 48-nm-thick n-type GaAs contact layer, which functions as the electron supply layer 101 and electron supply layer 201. To achieve a tunneling ohmic junction with the electrode, a Si doping density configuration, as described below, is used. The electrode side is highly doped at 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 over a thickness of 28 nm, and seven delta-doped layers at 3 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 are inserted at 4-nm intervals (see Patent 7002126).
  • the 20-nm-thick regions near the first barrier layer 102 and first barrier layer 202 have a doping density of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the first well layer 103 and the first well layer 203 are n-type GaAs doped with Si at 1 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the photodetector 1002 of Example 1 and the comparative quantum cascade detector have slightly different thicknesses (one atomic layer). This is based on the result of designing them so that they have sensitivity peaks at approximately the same wavelength.
  • Regions with different Al composition x are fabricated in the second well layer 105.
  • the third well layer 107 to the seventh barrier layer 108 of the photodetector 1002 of Example 1 and the fourth well layer to the eighth barrier layer 208 of the comparative quantum cascade detector have the same structure. Electrons that reach the last well layer tunnel through the last barrier layer and are transported to the electron collection layer 109 and the electron collection layer 209.
  • the 48-nm-thick n-type GaAs contact layer which serves as electron collection layer 109 and electron collection layer 209, has the same structure as the n-type GaAs contact layer of the electron supply layer, but is formed by inverting it.
  • the highly doped region of the n-type GaAs contact layer contacts the second metal electrode, realizing a tunneling ohmic junction.
  • Non-Patent Document 3 The theoretical calculation method for the unbiased resistance of a quantum cascade detector is given in Non-Patent Document 3, and the resistance can be described by the intersubband transition rate as shown in Figures 3 and 4.
  • the resistance is inversely proportional to the sum of the transition rates from the fundamental subband of the first well layer 103 and the first well layer 203 to the other subbands.
  • the resistance (no-bias resistance: R 0 ) is generally normalized by the area (A) of the element and expressed as no-bias resistance ⁇ area R 0 A (unit: ⁇ cm 2 ), and the relationship with the sum of the transition speeds ⁇ G ij is expressed as follows:
  • polar optical phonon scattering As the principle of transition between subbands, polar optical phonon scattering, which is the fastest and most dominant transition, is considered. This is considered a reasonable assumption in the temperature range mainly considered here, such as absolute temperature 77 K. Polar optical phonon scattering typically occurs with a lifetime of 1 picosecond (ps). The lower the transition rate G ij due to this polar optical phonon scattering is suppressed for all transition paths (i ⁇ j), the higher the resistance that can be achieved.
  • transition rate G ij is roughly expressed as follows: the transition rate due to polar optical phonon scattering is expressed by the overlap integral of the wave functions of both subbands and the Fermi-Dirac function representing the electron occupation state.
  • a photovoltaic quantum well infrared detector is a photodetector that attempts to exhibit photosensitivity by designing and fabricating an artificial structure so that electrons that transition from state 1 to state 2 or state 3 due to photoexcitation are transported exclusively to one of states 4 to 8, rather than to state 1 or electron supply layer 101 and electron supply layer 201.
  • photovoltaic quantum well infrared detectors are photodetectors that artificially transport electrons generated by intersubband light absorption formed within the quantum well in one direction using a cleverly designed and fabricated array of quantum wells.
  • the structure discussed in this example is based on an n-type semiconductor, only electrons (holes are not excited) are excited in the intersubband transition, and unlike conventional pn junction devices, it operates solely with electrons.
  • the excitation subband of the first well layer 203 is strongly tunnel-coupled to the ground subband of the second well layer 205 adjacent to the right side, and the wave function of the excitation subband is distributed widely to the right side.
  • the electrons widely distributed on the right side are rapidly extracted into the subband of the third well layer 207 by using polar optical phonon scattering transitions.
  • Tunnel coupling is a phenomenon in which the energies of the excitation subband of the first well layer 203 and the ground subband of the second well layer 205 are set to be approximately equal, causing the two wave functions to interact via the second barrier layer 204 and mix to form two new levels (a bonding level and an antibonding level). This creates two new levels that are like the sum of the original wave functions of the first well layer 203 and the second well layer 205, with the same sign and the opposite sign, respectively. States 2 and 3 in Figure 4 are formed in this way. To achieve this, in the quantum cascade detector of Figure 4 and Table 2, the second well layer 205 is made as thin as possible (only four atomic layers) without interfering with fabrication, allowing the ground subband to be positioned very high.
  • the second barrier layer 204 is designed to be not too thick, but thick enough so that the tails of the wave functions of the first well layer 203 and the second well layer 205 intermingle with each other.
  • the tunnel transition between adjacent well layers is known to be an even faster transition ( ⁇ 1 ps) than the polar optical phonon scattering transition described above, and electrons excited from state 1 by light absorption move rapidly to a widely distributed state, states 2 and 3.
  • state 4 formed as the ground subband of the third well layer 207 is set to overlap these widely in space, with an energy interval close to 36 meV, the energy of the polar optical phonon in GaAs.
  • Polar optical phonon scattering transitions occur resonantly and quickly (0.1 to 1 ps) when the energy interval is close to the energy of the polar optical phonon.
  • an electron in state 1 absorbs light, it moves via resonant tunneling to states 2 and 3, and then quickly to state 4 via polar optical phonon scattering transition. Once this happens, the electron can no longer easily return to state 1.
  • Non-Patent Document 3 careful analysis of this situation using the theory in Non-Patent Document 3 reveals that electron transport does not occur perfectly as described above. There is a slight spatial overlap between state 4 and state 1, and the transition rate between them is not completely zero. Furthermore, state 5, which transitions from state 4 to state 5 at approximately 36 meV below due to polar optical phonon scattering, still has a non-negligible overlap with state 1.
  • the Fermi-Dirac function also plays an important role in the transition rate in Non-Patent Document 3. Simply put, the farther apart the energy of the two wave functions is, the smaller the transition rate; and the closer together they are in energy, the larger the transition rate. This can be discussed in Figures 3 and 4 by looking at how close the wave functions are along the vertical axis. State 5, which transitions from state 4, becomes progressively farther away from state 1 in space. However, state 5 is closer to state 1 in energy than state 4. The actual resistance of the entire device is calculated from the sum of these individual element transition rates. However, in conventional quantum cascade detectors, the electrons that transition sequentially move away from each other in space, but instead move closer together in energy. This has been a problem, making it difficult to achieve a low transition rate and high resistance between the ground subbands of first well layer 103 and first well layer 203.
  • Figure 5 shows the results of quantitative calculations of how spatial and energetic distances affect resistance for a typical model case.
  • a typical wave function is the ground state of a 5-nm-wide quantum well in a GaAs/AlGaAs structure with a conduction band energy difference of 0.3 V
  • the transition rate (unit: m -2 s -1 ) between two identical wave functions at 77 K is shown as contour lines, assuming that the two are spaced apart by ⁇ z and energy by ⁇ E. This allows us to visually express how the transition rate changes between the ground subband located at the origin and a destination subband located at an arbitrary position ( ⁇ z, ⁇ E).
  • the transition rate decreases and the resistance of the route increases as the wave functions become more spatially separated (to the right on the graph in Figure 5) and more energetically separated (upward on the graph in Figure 5). Quantitatively, the transition rate decreases by an order of magnitude for every 2.1 nm spatial separation or every 15 meV energy separation.
  • Figure 5 plots the positions of the centers of gravity p12 to p17 of the squares of the wave functions (electron existence probability) of each subband as viewed from the base subband of the comparative quantum cascade detector in Figure 4.
  • p12 to p17 correspond to states 2 to 7 in Figure 4, respectively.
  • states 2, 3, and 4 resulting from photoexcitation fall within a range of transition rates of 10 12 m -2 s -1 or higher.
  • States 2 and 3 are located almost directly above state 1, so they inevitably exhibit high transition rates.
  • state 4 which should be spatially separated, also has a similar transition rate. Because the transition rates to these three states are equally high, the resistance of the comparative quantum cascade detector is limited to a low value.
  • the energy difference between the ground subband and excited subband of the first well layer 203 is determined, and the energy positions of states 2 and 3 are almost fixed. Furthermore, when attempting to maximize the polar optical phonon scattering transition from states 2 and 3, the energy position of state 4 is also almost fixed at approximately 36 meV lower than states 2 and 3. Therefore, conventional quantum cascade detectors have almost no design freedom in the energy direction of state 4. In addition, because the thicknesses of the third barrier layer 206 and third well layer 207 required to achieve such an energy position are also nearly specified, there is also little design freedom in the spatial direction. As a result, it is inevitable that state 4 will have a large transition rate identical to states 2 and 3, which creates a bottleneck that prevents improvements in resistance. The inventors believe this is the fundamental reason why significant improvements in resistance have not been achieved in conventional quantum cascade detectors.
  • the second well layer 105 is made extremely thick and shallow compared to the others. To align its energy position with the excitation subband of the first well layer 103, the conduction band energy at the bottom of the well is higher than that of the other well layers, making it raised. Furthermore, a small daughter well layer with a low conduction band energy is fabricated within the second well layer 105. To achieve this stepped conduction band energy profile, the second well layer 105 is formed from a combination of AlGaAs with different Al compositions x. With this configuration, one daughter well layer also realizes state 4, and states 2, 3, and 4 coexist within the second well layer 105. One of states 2 and 3 originates from the excited state of the first well layer 103, so the other of states 2 and 3 and the other two states, state 4, originate purely from the structure of the second well layer 105.
  • state 4 is the ground subband of the second well layer 105.
  • State 4 is located below states 2 and 3 within one well, and there is a large spatial overlap.
  • the energy difference from states 2 and 3 to state 4 is set close to 36 meV, the energy of polar optical phonons, and the polar optical phonon scattering transition from states 2 and 3 to state 4 is accelerated.
  • the third barrier layer 106 5.65 nm thick, which is thicker than the corresponding location in the comparative quantum cascade detector, the wave function of state 4 in the child well layer of the second well layer 105 is strongly localized, increasing the amplitude of the wave function and maximizing the transition rate from states 2 and 3.
  • Figure 5 plots the positions p22 to p26 of the center of gravity of the wave function of each subband as viewed from the fundamental subband of the photodetector 1002 of Example 1 shown in Figure 3.
  • p22 to p26 correspond to states 2 to 6 in Figure 3, respectively.
  • the photovoltaic quantum well infrared detectors shown in FIGS. 3 and 4 were fabricated using a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus (COMPACT21T, manufactured by RIBER).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • an n-type GaAs (100) substrate was prepared, and the oxide film on its surface was removed by heating at 580°C. After that, a GaAs buffer layer with a thickness of 300 nm was grown using an MBE system to flatten the surface.
  • the formation temperature at this time was 580°C.
  • These sacrificial layers were inserted for later use in Example 2.
  • These sacrificial layers were doped with 5 x 10 17 cm -3 of Si to make them n-type, and were used as conductive layers in Example 1.
  • the multiple quantum well structure of Figures 3 and 4 was formed in the detection layer 12.
  • the structure of Table 1 or Table 2 described above was stacked from the bottom up, that is, the contact layer that will become the electron collection layer 109 or 209, the seventh barrier layer 108 or 8th barrier layer 208, ... the first well layer 103 or 203, the first barrier layer 102 or 202, and finally the contact layer that will become the electron supply layer 101 or 201.
  • the formation temperature from this layer onwards was 530°C.
  • quantum well photodetectors are not sensitive to perpendicularly incident light (which only contains an electric field parallel to the quantum well layer).
  • Some optical configuration must be devised to allow the light to be incident obliquely onto the quantum well layer.
  • Known configurations include Brewster angle incidence (Figure 2(a)) and incidence from the 45° polished backside ( Figure 2(b)), but in Example 1, the Brewster angle incidence configuration shown in Figure 2(a) was selected.
  • the area of the detection section was a rectangle measuring 100 ⁇ m x 400 ⁇ m or 200 ⁇ m x 800 ⁇ m, and the light was incident obliquely along the long side at a large angle of 65 degrees from the vertical.
  • the exact Brewster angle is 73 degrees, but for the sake of the measurement system, an incident angle of 65 degrees, which is close to this, was used.
  • the area of the element used varied depending on the measurement, but all subsequent characteristics will be discussed using values normalized by the detector area, so the area of the element is irrelevant.
  • Figures 3 and 4 depict the contact layer as being covered on both sides with metal electrodes, the front surface of the contact layer is not directly covered with a metal electrode.
  • most of the contact layer on the electron supply layer side is uncovered, serving as a light entrance window.
  • a portion of the contact layer is covered with a first metal electrode 11b formed by vapor deposition of 3 nm thick Ti and 100 nm thick Au, and is connected to the outside of the device by wiring.
  • the contact layer in the light entrance region 15 is maintained at an equipotential with the wiring through the highly conductive contact layer 11a.
  • the quantum well portion has been completely etched away so that the detector region remains in a mesa shape, and the second metal electrode 13b is formed on the etched surface near the detector region.
  • This sensitivity characteristic was determined by placing a photodetector sealed and cooled in a cryostat (LTS-101DL-IR-OPT-LV, manufactured by Nikki Kogei) at the sample position of a Fourier transform infrared spectrometer (FT/IR-6200, manufactured by JASCO Corporation), amplifying the signal obtained from the photodetector with a microcurrent amplifier (CA5350, manufactured by NF Corporation) and inputting it into the external input terminal of the Fourier transform infrared spectrometer, and comparing it with a sensitivity-calibrated broadband standard detector (PVI-2TE-10.6, manufactured by VIGO SYSTEM).
  • FT/IR-6200 Fourier transform infrared spectrometer
  • the photodetector 1002 of Example 1 Compared to the comparative quantum cascade detector (399.6 ⁇ A/W), the photodetector 1002 of Example 1 (173.5 ⁇ A/W) has inferior sensitivity. This is thought to be because, compared to proven conventional quantum cascade detectors, the quantum well design of the photodetector 1002 of Example 1 has not yet been optimized, and electron transport is not occurring as expected. However, what is ultimately important for an infrared detector is not the sensitivity itself, but the detectability (signal-to-noise ratio), which is calculated as the ratio of signal intensity to noise, and therefore these results do not allow a comparison of the merits or demerits of the two photodetectors.
  • FIG. 6 shows the maximum sensitivity of each photodetector obtained by applying a bias, indicated by x and +. x and + respectively represent the spectra at maximum sensitivity of the photodetector 1002 of Example 1 and the comparative quantum cascade detector.
  • the photodetector 1002 of Example 1 (1011 ⁇ A/W at 77 K and a bias voltage of +0.34 V) exhibited higher sensitivity than the comparative quantum cascade detector (644.9 ⁇ A/W at 77 K and a bias voltage of +0.08 V). This suggests that by adopting the quantum well structure of Figure 3 and Table 1, the characteristic of electrons moving in one direction without backflow is improved, making it possible to realize an infrared detector with higher performance than conventional quantum cascade detectors.
  • Figures 7(a) and (b) show the current density and voltage characteristics near the origin in the dark state for the photodetector 1002 of Example 1 and the comparative quantum cascade detector, respectively.
  • the dark state was achieved by covering the front of the photodetector with a black-painted 29K cold shield to prevent any radiation from entering the photodetector.
  • Johnson noise which is important in photovoltaic quantum well infrared detectors, is represented by R 0 A, given as the reciprocal of the slope at a bias voltage of 0 V in this diagram.
  • R 0 A the reciprocal of the slope at a bias voltage of 0 V in this diagram.
  • the vertical axis display range in Figure 7(b) is one order of magnitude wider than in Figure 7(a).
  • the specific resistance value is 2.28 x 105 ⁇ cm2 for the photodetector 1002 of Example 1 in Figure 7(a) and 9.34 x 103 ⁇ cm2 for the comparative quantum cascade detector in Figure 7(b), meaning that Example 1 has a resistance 24.4 times higher. This is a direct effect of the structure of the present disclosure.
  • the resistance of the comparative quantum cascade detector is also significantly higher than that of conventional quantum cascade detectors, and is nearly 400 times higher than the 25 ⁇ cm ⁇ 2 obtained by applying the high resistance technology of the time in Non-Patent Document 2. This is because the detector was designed with a strong focus on achieving high resistance overall, for example by using thicker barrier layers in all structures than in conventional examples.
  • the most important specific detectivity D * for an infrared detector is the relationship between sensitivity R and noise current spectral density i n / ⁇ f 1/2 , which is expressed as follows: Also, Johnson noise Therefore, the specific detectivity D J * of the infrared detector when Johnson noise is dominant is expressed as follows:
  • Example 2 In Example 2, it is shown that even in a plasmon resonator type quantum well infrared detector using the same quantum well structure as in Example 1, the photodetector according to the present disclosure can achieve higher performance than conventional quantum cascade detectors.
  • quantum well photodetectors have the problem of being insensitive to perpendicularly incident light, because an optical electric field perpendicular to the quantum well layer is essential for intersubband transitions.
  • Conventional quantum well photodetectors have required special arrangements and shapes to achieve oblique incidence on the quantum well layer, such as Brewster angle incidence or 45° backside incidence, as shown in Figure 2.
  • plasmon resonator introduced in Example 2, which is described in detail in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1.
  • the photodetector (plasmon resonance quantum well infrared detector) 1005 of Example 2 is an infrared detector incorporated into a plasmon resonator in which a first metal layer, a dielectric layer (including a semiconductor material), and a second metal layer are stacked, and its basic structure is shown in Figure 9(b).
  • the first metal layer is metal layer 11c
  • the dielectric layer is first contact layer 11a, detection layer 12, and second contact layer 13a
  • the second metal layer is metal patch 17.
  • metal layer 11c is formed on semiconductor substrate 11d, and outside the photoelectric area irradiated by incident light 15, first metal electrode 11b is arranged in contact with metal layer 11c, and second metal electrode 13b is arranged in contact with second contact layer 13a.
  • semiconductor substrate 11d is made of GaAs, similar to semiconductor substrate 13d of photodetector 1004 shown in Figure 9(a).
  • the portion sandwiched between the continuous metal layer 13c and the square metal patch 17 with a side length of L acts as a plasmon resonator 18, which is arranged in a square lattice pattern with a period P in the area irradiated by the incident light 15.
  • the materials for the first metal layer and the second metal layer are conductors with a negative value for the real part of their dielectric constant, but materials with a small imaginary part of their dielectric constant are preferred, with gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W) and molybdenum (Mo) being preferred.
  • the materials are not necessarily limited to metals, and transparent conductors such as ITO, AZO and GZO can also be used.
  • the thickness of the dielectric layer sandwiched between the first metal layer and the second metal layer is preferably set to a thickness that causes plasmon resonance.
  • a specific range is greater than 0 and less than ⁇ /(2n eff ), where n eff is the average refractive index of the dielectric layer relative to the wavelength ⁇ of incident light. More specifically, it is preferable to set the thickness so that plasmon resonance is sufficiently caused for incident light of the target wavelength based on Maxwell's equations. Due to this constraint, the repetition of several tens of periods, as used in many conventional photovoltaic quantum well infrared detectors, is inconvenient when combined with a plasmon resonator. Therefore, in Example 2, a quantum well structure with only one period is used, as shown in Figures 3 and 4.
  • Example 2 the wafer grown by MBE in Example 1 was bonded to another Au substrate by wafer bonding.
  • a 3-nm-thick Ti and 150-nm-thick Au substrate was first formed by sputtering on the contact layer on the electron supply layer side located on the top surface of the quantum well structure.
  • a metal layer consisting of a 10-nm-thick Ti and a 500-nm-thick Au layer was also formed by sputtering on a second GaAs (100) substrate 13d, which would become the final semiconductor substrate.
  • the quantum well-formed substrates were then inverted, the two Au surfaces were brought into contact, and the two substrates were heated at 250°C for 60 minutes in a nitrogen gas atmosphere while applying a load of 5 MPa. This resulted in the two GaAs substrates being integrated via the Au. This integration formed a metal layer 11c consisting of Au and Ti.
  • the first GaAs substrate was mechanically polished, leaving approximately 100 ⁇ m of thickness remaining.
  • the remaining GaAs portion of the first GaAs substrate and the buffer layer were selectively removed at 38°C using a solution of 1 g/ml citric acid solution and hydrogen peroxide solution in a 10:1 mixture, exposing the AlGaAs sacrificial layer.
  • the AlGaAs sacrificial layer was selectively removed using a hydrofluoric acid solution.
  • a multiple quantum well structure was created that is equivalent to a structure in which the contact layer (second contact layer 13a) on the electron collection layer 109 side is exposed on the outermost surface, mounted on an Au substrate.
  • the outermost surface is the electron supply layer 101 or the electron collection layer 109 can be determined, as mentioned above, by fabricating a multiple quantum well structure with the first well layer 103 on the upper surface, or fabricating a multiple quantum well structure with the first well layer 103 on the lower surface. Regardless of which option is selected, there is no particular difference in performance.
  • Metal patch 17 was fabricated using electron beam lithography and lift-off. Electron beam resist was applied, and a pattern was drawn using an electron beam within an area 100 ⁇ m square (this would become the light detection area). Development was then used to expose the contact layer on the electron collection layer side so that it took the shape of metal patch 17. A 3 nm thick Ti film and a 100 nm thick Au film were then deposited on top of this as the metal patch layer.
  • metal patches 17 with a predetermined pattern were formed.
  • photolithography was used to form a second metal electrode 13b on the contact layer and to etch away the other quantum well areas, leaving the photodetector region in a mesa shape.
  • the exposed metal layer was used as the first metal electrode 11b.
  • the necessary areas, including the photodetector region and electrode region, on the second GaAs substrate were cut out by cleavage and mounted on an 8-pin ceramic package with conductive epoxy.
  • the electrodes were then Ag paste bonded to the package pins with Au wires, completing the photodetector 1005.
  • the dimensions of the Au patches 17 differ between the two because the sensitivity wavelengths of the original wafers themselves differed, as seen in Figure 8 of Example 1, and so the dimensions were adjusted to match the peak wavelengths of each.
  • Figure 9(b) shows an example of a cross-sectional scanning electron microscope photograph of a completed array of square Au patches 17.
  • the sensitivity of the photodetector 1005 of Example 2 according to the present disclosure is inferior to that of the comparative quantum cascade detector (570 mA/W at 77 K), even though both detectors use a plasmon resonator. This is because the degree of sensitivity enhancement by the plasmon resonator is almost the same.
  • the photodetector 1005 according to the present disclosure which is inherently low in sensitivity, exhibits higher sensitivity. This indicates that the present disclosure suppresses the influence of noise, which becomes more pronounced as temperatures increase, and improves high-temperature characteristics.
  • Figure 10 shows the maximum sensitivity at 77 K for each photodetector obtained by applying a bias, indicated by an x and a +.
  • the x and + symbols represent the maximum sensitivity of photodetector 1005 of Example 2 and the comparative quantum cascade detector, respectively.
  • Photodetector 1005 of Example 2 (949 mA/W at 77 K and a bias voltage of +0.32 V) exhibited higher sensitivity than the comparative quantum cascade detector (931 mA/W at 77 K and a bias voltage of +0.20 V). This suggests that the adoption of the quantum well structure of Figure 3 and Table 1 improves the ability of electrons to move in one direction without backflow, making it possible to realize an infrared detector with higher performance than conventional quantum cascade detectors.
  • Fig. 12 there are two types of symbols, open and filled, and the open symbols represent the relative detectivity DJ * when Johnson noise is dominant, as explained in Example 1. As mentioned above, this is the relative detectivity observed when the cold shield is placed in a dark state. This improves the more it is cooled.
  • the black lines represent the relative detectivity D BG * measured when the cold shield was removed and the photodetector was exposed to a 300 K environment (field of view 162 degrees). This indicates saturation at low temperatures for all photodetectors.
  • the difference in relative detectivity depending on whether or not a cold shield is present is a characteristic that can only be seen in infrared detectors with a certain level of sensitivity.
  • the sensitivity is increased by more than three orders of magnitude, resulting in a new range of specific detectability known as the background light limited (BLIP) condition.
  • BLIP background light limited
  • the comparative quantum cascade detector (5.60 ⁇ 10 10 cmHz 1/2 /W at 77 K) exhibits higher performance than the photodetector 1005 of Example 2 (3.28 ⁇ 10 10 cmHz 1/2 /W at 77 K). Furthermore, this value is already approaching the physical limit. However, if the quantum well design of the present disclosure is optimized and more appropriate electron transport can be achieved, the photodetector of the present disclosure will approach performance equivalent to that of the comparative quantum cascade detector. Similar to sensitivity, the temperature dependence is important. The photodetector of the present disclosure also has higher relative detectivity in the high-temperature range of 100 K or higher.
  • T BLIP The BLIP temperature, is an index that succinctly describes the temperature characteristics of an infrared detector. This is the temperature at which the Johnson noise and background shot noise become equal in magnitude. At temperatures lower than this, the detector enters the BLIP condition, where performance is determined by background shot noise. This is the boundary where the open and closed regions begin to separate in Figure 12 .
  • T BLIP is 98 K for the photodetector 1005 of Example 2, compared to 94 K for the comparative quantum cascade detector, demonstrating that the present disclosure is superior. This difference will likely widen further with future improvements in quantum well design.
  • adopting the quantum well structure shown in Figure 3 and Table 1 has enabled the realization of an infrared detector with higher performance than conventional quantum cascade detectors.
  • the quantum well design of the present disclosure was not sufficiently optimized, and therefore the photodetector according to the present disclosure was unable to surpass the comparative quantum cascade detector in terms of no-bias characteristics, other than sensitivity in the high-temperature region and BLIP temperature.
  • the photodetector according to the present disclosure recorded a background-limited specific detectivity D BG * that exceeded that of the comparative quantum cascade detector.
  • the results are shown in Figure 12 with x and +. X and + respectively represent the maximum specific detectivity D BG * that could be observed by optimizing the bias voltage when the photodetector 1005 of Example 2 and the comparative quantum cascade detector were exposed to a 300 K environment.
  • photovoltaic detectors Since an important practical feature of photovoltaic detectors is that they can be used simply by connecting them to an ammeter, their characteristics when unbiased are mainly discussed. However, if high performance can be obtained in terms of the most important characteristic, the signal-to-noise ratio (specific detectability), then it is acceptable to apply a slight bias voltage. In fact, just as it is common to use photodiodes with a reverse bias voltage applied, in practice they are often used with a slight bias voltage applied.
  • Example 3 In Example 3, an example is reported in which the second well layer 105 having a function as a transition layer has a superlattice structure in which thin wells and barriers are repeated.
  • the shape of the daughter well does not necessarily have to be limited to a single simple well, as long as an equivalent wave function is formed.
  • minibands In a superlattice structure with repeated thin wells and barriers, the ground subbands of multiple wells couple to form a miniband, a band-like structure with closely packed wave functions. Because minibands have a finite width, it is easier to achieve robust, fast polar optical phonon scattering transitions by utilizing the miniband, rather than trying to precisely match the energy difference between specific states to 36 meV, the energy of polar optical phonons.
  • the band structure of a photodetector designed using minibands is shown in Figure 13 as Example 3, and details of its layers are shown in Table 3.
  • the Si doping concentration of the first well layer was set to 3 ⁇ 10 cm ⁇ 3 in order to achieve high sensitivity. Instead, we verified whether the device resistance, which tends to decrease as a result, could be maintained high by applying the present disclosure.
  • These five states function as recipients of relaxation due to polar optical phonon scattering, just like state 4 discussed above.
  • Example 3 the same structure is repeated up to the sixth barrier layer 308.
  • the cascade structure provided in Figures 3 and 4 described in Example 1 is not present.
  • the possibility of them returning to State 1 can be made extremely low. Therefore, even without any special measures to speed up relaxation from that point on (such as high-speed relaxation due to polar optical phonon scattering transitions), the electrons will eventually undergo some kind of transition and relax into the electron recovery region. This will not cause any problems unless the application requires a high-speed response at the picosecond (ps) level.
  • the no-bias sensitivity achieved with the structure of Example 3 was 101 ⁇ A/W at a peak wavelength of 6.32 ⁇ m. This is inferior to the structures of the photodetector 1002 of Example 1 shown in FIG. 6 and the comparative quantum cascade detector used as a comparative example. An extremely high Si doping concentration was adopted in the hope that high sensitivity would be easily achieved, but the expected high sensitivity was not achieved because the band structure design was still insufficient. However, the no-bias resistance R 0 A was 833 ⁇ cm 2 , which is 33 times higher than the typical conventional quantum cascade detector (25 ⁇ cm 2 ) reported in Non-Patent Document 2.
  • a photodetector is a photodetector in which a first conductor layer, a detection layer, and a second conductor layer are sequentially disposed from a first surface side, the detection layer having a quantum well in which a first barrier layer, a first well layer which is an excitation well layer, a second barrier layer, a second well layer which is a transition well layer, and a third barrier layer are sequentially disposed from a surface side in contact with the first conductor layer, the first well layer has at least a ground level and an excitation level, the energy levels of conduction band energies of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer are higher than the excitation level, the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer have thicknesses that allow a tunnel current to flow, the second well layer has two or more levels A n (n is an integer starting from 1), and one of the levels, level A The other level A n' (n' is an integer
  • a photodetector according to aspect 2 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 1, wherein photoelectrons excited from the ground state in the first well layer by received light are transported to the second well layer.
  • a photodetector according to a third aspect of the present disclosure is the photodetector according to the first and second aspects, wherein the energy difference between the level A1 and the excitation level is 0 meV or more and 15 meV or less.
  • a photodetector is a photodetector in which a first conductor layer, a detection layer, and a second conductor layer are arranged in this order from the first surface side, and the detection layer has a quantum well in which, from the surface side in contact with the first conductor layer, a first barrier layer, a first well layer which is an excitation well layer, a second barrier layer, a second well layer which is a transition well layer, and a third barrier layer are arranged in this order, and the first well layer has a ground subband and one or more higher-order subbands, and the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer
  • the energy level of the conduction band energy of the well layer is higher than the maximum energy level of the higher-order subbands, the thicknesses of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer are such that a tunneling current flows, and the second well layer includes two or more subbands composed of multiple regions of different conduction band energy, in which the energy
  • a photodetector according to aspect 5 of the present disclosure is a photodetector according to any one of aspects 1 to 4, in which a cascade well layer group including one or more pairs of cascade well layers and barrier layers is formed between the third barrier layer and the second conductor layer in the detection layer.
  • a photodetector according to aspect 6 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 5, wherein the energy level of the ground subband in the cascade well layer monotonically decreases from the third barrier layer toward the second conductor layer.
  • a photodetector according to aspect 7 of the present disclosure is a photodetector according to any one of aspects 1 to 6, wherein the first conductive layer and the second conductive layer comprise, as part of their structure, a mixed crystal consisting of one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • a photodetector according to aspect 8 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 7, wherein the mixed crystal is in contact with the detection layer.
  • a photodetector is a semiconductor photodetector that includes a barrier layer with high conduction band energy and a well layer with low conduction band energy within a detection layer, and generates photocurrent by utilizing intersubband absorption occurring in the well layer.
  • the photodetector includes a first surface side and an electron supply layer, a first barrier layer and a first well layer, barrier layers and well layers from the mth (m is a natural number of 2 or more) barrier layer and the mth (m is a natural number of 2 or more) well layer, an (m+1)th barrier layer, and an electron collection layer, and the first well layer includes a ground subband with the lowest energy level and a well layer with an energy level higher than the ground subband.
  • the semiconductor device has one or more higher-order subbands with a high energy level, and absorbs light to excite photoelectrons from the ground subband to an excited subband consisting of one or more of the higher-order subbands.
  • the second well layer to the mth well layer transport the photoelectrons toward the electron collection layer.
  • the second well layer is composed of multiple regions with different conduction band energies, and has two or more subbands with a monotonically higher energy level on the first surface side and a monotonically lower energy level on the second surface side in a stepwise and/or gradient manner from the first surface side on which the second barrier layer is arranged to the second surface side on which the third barrier layer is arranged.
  • a photodetector according to aspect 10 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 9, wherein the detection layer has the same structure as the first barrier layer and the (m+1)th barrier layer, and each of the barrier layers and well layers from the first barrier layer and first well layer to the mth (m is a natural number of 2 or more) barrier layer and mth well layer, and the (m+1)th barrier layer are arranged in sequence as one set, and the (m+1)th barrier layer is overlapped with the first barrier layer of the next set, resulting in two or more sets being arranged in series.
  • a photodetector according to aspect 11 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 9 or 10, wherein the center of gravity of the square of the wave function of the ground subband of the second well layer is located 15 nm or more and 100 nm or less away from the center of gravity of the wave function of the ground subband of the first well layer.
  • a photodetector according to aspect 12 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 9 or 10, in which any of the higher-order subbands of the first well layer is coupled to a higher-order subband of the second well layer, forming a bonding band and an antibonding band originating from each subband.
  • a photodetector according to aspect 13 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 12, wherein the energy difference between the bonding band and the antibonding band is 0.1 meV or more and 15 meV or less.
  • a photodetector according to aspect 14 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 12 or 13, in which the contribution of polar optical phonon scattering is greatest in the relaxation transition from the higher subband of the second well layer to the ground subband of the second well layer.
  • a photodetector according to aspect 15 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 14, wherein the energy difference between the higher subband of the second well layer and the ground subband of the second well layer is greater than 15 meV and less than or equal to 60 meV.
  • a photodetector according to aspect 16 of the present disclosure is a photodetector according to any one of aspects 9 to 15, in which, when m is a natural number equal to or greater than 3, the energy levels of the ground subbands of the second and subsequent well layers decrease in order.
  • a photodetector according to aspect 17 of the present disclosure is a photodetector according to any one of aspects 1 to 16, wherein the first well layer is formed with n-type impurities.
  • a photodetector according to aspect 18 of the present disclosure is the photodetector according to any one of aspects 1 to 17, wherein the detection layer includes one or more elements selected from the group consisting of GaAs, AlAs, InAs, InP, AlSb, GaP, AlP, GaN, AlN, ZnSe, CdSe, MgSe, GaSb, InSb, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, Si, and Ge.
  • a photodetector according to aspect 19 of the present disclosure is a photodetector according to any one of aspects 1 to 18, wherein one or more of the first barrier layer, the first well layer, the second barrier layer, the second well layer, and the third well layer have a superlattice structure composed of multiple barrier layers and well layers.
  • a photodetector is a semiconductor photodetector that includes a barrier layer with a low valence band energy and a well layer with a high valence band energy within a detection layer, and generates a photocurrent by utilizing intersubband absorption occurring in the well layer.
  • the photodetector includes a hole supply layer, a first barrier layer and each of the barrier layers and well layers from the first barrier layer and the first well layer to the m-th barrier layer and the m-th well layer (m is a natural number of 2 or more), the (m+1)-th barrier layer, and a hole collection layer, which are arranged in sequence from the first surface side.
  • the first well layer has a ground subband with the highest energy level and a well layer with an energy level lower than the ground subband.
  • the semiconductor device has one or more higher-order subbands with low energy levels, and absorbs light to excite holes from the ground subband to an excited subband consisting of one or more of the higher-order subbands.
  • the second well layer, the third well layer, ... the mth well layer transport the holes toward the hole collection layer.
  • the second well layer is composed of multiple regions with different valence band energies, and has two or more subbands with monotonically lower energy levels on the first surface side and higher energy levels on the second surface side in a stepwise and/or gradient manner from the first surface side on which the second barrier layer is arranged to the second surface side on which the third barrier layer is arranged.
  • a photodetector according to aspect 21 of the present disclosure is a photodetector according to any one of aspects 1 to 20, in which a metal mesh with island-shaped metal patches or openings that induce plasmon resonance is formed in a periodic pattern in contact with the first surface side or above the first surface side.
  • a photodetector according to aspect 22 of the present disclosure is the photodetector according to aspect 21, wherein the metal patches are arranged in an array and/or matrix.
  • the arrangement pitch of the metal patches is 0.5 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • This disclosure provides a quantum well photodetector that provides high detection capability with an excellent signal-to-noise ratio.
  • Such photodetectors have a wide range of applications, including sensors and cameras for consumer, industrial, and military use.
  • First conductor layer 1a First contact layer
  • first conductive layer 1b First metal electrode 2: Detection layer 3a: Second contact layer
  • second conductive layer 3b Second metal electrode 11: First conductor layer 11a: First contact layer 11b: First metal electrode 11c: Metal layer 11d: Semiconductor substrate 12: Detection layer 13: Second conductor layer 13a: Second contact layer 13b: Second metal electrode 13c: Substrate, metal layer (conductor film) 13d: semiconductor substrate 15: light beam 17: metal patch, Au patch 18: plasmon resonator 21a: first contact layer 21b: first metal electrode 21c: substrate 22: detection layer 23a: second contact layer 23b: second metal electrode 25: light beam 101: electron supply layer, contact layer 102: first barrier layer 103: first well layer 104: second barrier layer 105: second well layer 106: third barrier layer 107: third well layer 108: seventh barrier layer 109: electron collection layer, contact layer 201: electron supply layer, contact layer 202: first barrier layer
  • 2 barrier layer 205 No. 2 well layer 206: No. 3 barrier layer 207: No. 3 well layer 208: No. 8 barrier layer 209: Electron collection layer, contact layer 301: Electron supply layer, contact layer 302: No. 1 barrier layer 303: No. 1 well layer 304: No. 2 barrier layer 305: No. 2 well layer 306: No. 3 barrier layer 307: No. 3 well layer 308: No. 6 barrier layer 309: Electron collection layer, contact layer 1001: Photodetector 1002: Photodetector 1003: Photodetector 1004: Photodetector, plasmon resonance type quantum well infrared detector 1005: Photodetector, plasmon resonance type quantum well infrared detector

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

第１の面側から第１の導電体層（第１の金属電極およびコンタクト層１０１）、検出層、および第２の導電体層（コンタクト層１０９および第２の金属電極）が順次配置された光検出器であって、検出層は第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層（１０２）、励起井戸層である第１の井戸層（１０３）、第２のバリア層（１０４）、遷移井戸層である第２の井戸層（１０５）および第３のバリア層（１０６）が順次備えられた量子井戸を有し、第１の井戸層（１０３）は少なくとも基底準位と励起準位とを備え、第１から第３のバリア層（１０２，１０４，１０６）の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは励起準位より高くその厚さはトンネル電流が流れる厚さであり、第２の井戸層（１０５）は２以上の準位Ａｎ（ｎは１からはじまる整数）を備え、準位Ａ１は第２のバリア層（１０４）が配置された第１の面に接して励起準位と略等しく、他の準位は第３のバリア層（１０６）が配置された第２の面に接している光検出器とする。

Description

光検出器
　本開示は光検出器に関する。
　波長３～１０μｍの中赤外光は温度計測、暗視、ガス計測などに重要な波長域である。この波長域の赤外検出器としては、従来、ＨｇＣｄＴｅが広く用いられてきた。しかし、ＨｇやＣｄの毒性から、代替光検出器が求められており、その一つとして量子井戸におけるサブハンド間遷移を利用する量子井戸赤外検出器が有望視されており、例えば特許文献１、２および非特許文献１にその開示がある。
　量子井戸赤外検出器には、光導電型と光起電力型の２種類がある。この中で、光起電力型量子井戸赤外検出器は、繊細な量子井戸設計が必要ではあるが、暗電流がない分、蓄積電子量に制限のあるカメラの検出素子や、高温動作光検出器、高速動作光検出器に好適と考えられている。光起電力型量子井戸赤外検出器のうち、特に、量子カスケード検出器は、量子井戸のカスケード構造により光起電型動作を実現できるため注目を集めており、例えば特許文献３、非特許文献２および３に開示がある。
日本国特開２０２１－１０００３３号公報 日本国特開２０２３－１６２４９２号公報 日本国特開２０１３－４１９３３号公報
Ｍ．Ｆ．Ｈａｉｎｅｙ，Ｊｒ．，Ｔ．Ｍａｎｏ，Ｔ．Ｋａｓａｙａ，Ｙ．Ｊｉｍｂａ，Ｈ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｔ．Ｏｃｈｉａｉ，Ｈ．Ｏｓａｔｏ，Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋａｗａｚｕ，Ｙ．Ａｒａｉ，Ａ．Ｓｈｉｇｅｔｏｕ，ａｎｄ　Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，"Ｐａｔｃｈｗｏｒｋ　ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｂｒｏａｄｅｎｅｄ　ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｅ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１，ｐｐ．５９－６９（Ｊａｎ．２０２１）　ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＥ．４０８５１５ Ｌ．Ｇｅｎｄｒｏｎ，Ｃ．Ｋｏｅｎｉｇｕｅｒ，Ｖ．Ｂｅｒｇｅｒ，ａｎｄ　Ｘ．Ｍａｒｃａｄｅｔ，"Ｈｉｇｈ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｎａｒｒｏｗ　ｂａｎｄ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｃａｓｃａｄｅ　ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８６，Ｎｏ．１２，１２１１１６（２００５）　ｈｔｔｐｓ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０６３／１．１８８４２５７ Ｃ．Ｋｏｅｎｉｇｕｅｒ，Ｇ．Ｄｕｂｏｉｓ，Ａ．Ｇｏｍｅｚ，ａｎｄ　Ｖ．Ｂｅｒｇｅｒ，"Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｉｎ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｃａｓｃａｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｔ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ"，Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ，Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．２３，２３５３２５（２００６）　ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１０３／Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ＲｅｖＢ．７４．２３５３２５
　光検出器で最も重要視される性能の１つは、検出能であるノイズと感度の比（ＳＮ比）である。無バイアス条件下で動作する光起電力型光検出器における主要ノイズはジョンソンノイズである。ジョンソンノイズは、無バイアス時の抵抗の１／２乗に反比例するため、抵抗を高くすることによって、このノイズを低減することができる。
　しかし、従来の量子カスケード検出器は、その構造がバリア層と井戸層の伝導帯エネルギーがそれぞれ１種類しかない二値構造であった。このことから、基底状態から中間のサブバンドへの電流のリークが無視できず、高い抵抗の実現が困難であった。このため、従来の量子カスケード検出器は、十分なＳＮ比を確保できないという問題があった。
　本開示の課題は、上記説明した量子井戸型の光検出器、特に量子カスケード光検出器のＳＮ比の問題を解決して、高い検出能が得られる量子井戸型光検出器を提供することである。
　上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出器は、第１の面側から第１の導電体層、検出層、および第２の導電体層が順次配置された光検出器であって、
　前記検出層は、前記第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層、第２のバリア層、遷移井戸層である第２の井戸層、および第３のバリア層が順次備えられた量子井戸を有し、
　前記第１の井戸層は、少なくとも基底準位と励起準位とを備え、
　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記励起準位より高く、
　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる厚さであり、
　前記第２の井戸層は、２以上の準位Ａｎ（ｎは１からはじまる整数）を備え、該準位の１つである準位Ａ１は前記第２のバリア層が配置された第１の面に接し、かつ、前記励起準位と略等しく、他の準位Ａｎ′（ｎ′は２以上の整数）は前記第３のバリア層が配置された第２の面に接し、かつ前記準位Ａ１以下のエネルギーレベルである。
　上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出器は、第１の面側から第１の導電体層、検出層、および第２の導電体層が順次配置された光検出器であって、
　前記検出層は、前記第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層、第２のバリア層、遷移井戸層である第２の井戸層、および第３のバリア層が順次備えられた量子井戸を有し、
　前記第１の井戸層は、基底サブバンドと１個以上の高次サブバンドを有し、
　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記高次サブバンドの最大のエネルギーレベルより高く、
　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる厚さであり、
　前記第２の井戸層は、前記第２の井戸層の井戸層内の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルが、前記第２のバリア層から前記第３のバリア層に向かうほど階段状および／または傾斜状に下がる、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域で構成された２個以上のサブバンドを含む。
　上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出器は、検出層内に伝導帯エネルギーの高いバリア層と伝導帯エネルギーの低い井戸層を備えて、前記井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する光検出器であって、
　電子供給層と、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍ（ｍは２以上の自然数）の井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、電子回収層と、が第１の面側から順次配置され、
　前記第１の井戸層は、エネルギーレベルが最も低い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの高い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して前記基底サブバンドから、前記高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドに光電子を励起し、
　第２の井戸層から前記第ｍの井戸層は、光電子を前記電子回収層に向かって輸送し、
　前記第２の井戸層は、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域から構成され、前記第２のバリア層が配置された第１の面側から前記第３のバリア層が配置された第２の面側にかけて、階段状および／または勾配状で、エネルギーレベルが単調に前記第１の面側が高く、前記第２の面側が低い２個以上のサブバンドを備える。
　上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出器は、検出層内に価電子帯エネルギーの低いバリア層と価電子帯エネルギーの高い井戸層を備えて、前記井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する光検出器であって、
　ホール供給層と、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍ（ｍは２以上の自然数）の井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、ホール回収層と、が第１の面側から順次配置され、
　前記第１の井戸層は、エネルギーレベルが最も高い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの低い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して前記基底サブバンドから、前記高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドにホールを励起し、
　第２の井戸層、第３の井戸層、・・・前記第ｍの井戸層は、ホールを前記ホール回収層に向かって輸送し、
　前記第２の井戸層は、価電子帯エネルギーの異なる複数の領域から構成され、第２のバリア層が配置された第１の面側から第３のバリア層が配置された第２の面側にかけて、階段状および／または勾配状で、エネルギーレベルが単調に前記第１の面側が低く、前記第２の面側が高い２個以上のサブバンドを備える。
　本開示によれば、抵抗が大きいためジョンソンノイズが低減され、ＳＮ比に優れる高い検出能が得られる量子井戸型光検出器を提供することが可能になる。
本開示による光検出器の構造の概要を説明する断面構造図である。 量子井戸赤外検出器の主要部の構造を断面図によって示した構造図である。 本開示による光検出器の伝導帯エネルギー構造およびサブバンドを説明するバンド構造図である。 従来の量子カスケード検出器の伝導帯エネルギー構造およびサブバンドを説明するバンド構造図である。 基底サブバンドから任意のサブバンドまでのコンダクタンスの空間的・エネルギー的距離依存性を計算によって求めた特性図である。 実施例１の図３および表１に示したバンド構造をもつ光検出器の無バイアス時の感度スペクトルを従来法と比較して示す特性図である。ここで、測定温度は７７Ｋである。 （ａ）は、実施例１の図３および表１に示したバンド構造をもつ光検出器の電流特性および無バイアス時の抵抗を示す特性図で、（ｂ）は、図４および表２に示したバンド構造をもつ従来法の場合の特性図である。ここで、測定温度は７７Ｋである。 実施例１の図３および表１バンド構造をもつ光検出器の無バイアス時の比検出能スペクトルを従来法と比較して示す特性図である。ここで、測定温度は７７Ｋである。 実施例２で作製したプラズモン共振器組み込み量子井戸赤外検出器の構造図（ａ）、（ｂ）と、その試作例を示すＳＥＭ写真（ｃ）である。 実施例１の図３および表１に示したバンド構造をもつ光検出器の無バイアス時の感度の温度依存性を従来法と比較して示す特性図である。 実施例１の図３および表１に示したバンド構造をもつ光検出器の無バイアス時の抵抗Ｒ０Ａの温度依存性を従来法と比較して示す示す特性図である。 実施例１の図３および表１に示したバンド構造をもつ光検出器の無バイアス時の比検出能（Ｄｊ ＊、ＤＢＧ ＊）の温度依存性を従来光検出器を用いたそれと比較して示す示す特性図である。 本開示の第３の実施例による光検出器の伝導帯エネルギー構造およびサブバンドを説明するバンド構造図である。
　以下本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
　なお、文中に出てくるＡ～Ｂは、Ａを含んでＢまで、すなわちＡ以上Ｂ以下を表す。
　（実施の形態１）
　実施の形態１では、基本形となる量子井戸型光検出器について述べる。
　＜コンセプト＞
　最初に、従来の構造とその問題点について述べる。
　量子カスケード検出器は、光起電力型量子井戸赤外検出器の本命の構造として近年盛んに研究されている。量子カスケード検出器は、バリア層と井戸層の伝導帯エネルギーがそれぞれ１種類しかない二値構造を有し、かつ、光励起された電子のエネルギーを、逆流を防ぐために高速な極性光学フォノン散乱により、一定のエネルギーずつステップ状に降下させながら電子回収層に向けて輸送する。
　量子井戸赤外検出器の抵抗は、基底サブバンドからその他のサブバンドまでの波動関数の空間的・エネルギー的距離が大きいほど高くなる。従って、抵抗を高くするためには、電子を輸送するサブバンドを基底サブバンドから空間的・エネルギー的にできる限り遠く配置することが求められる。しかし、単純な二値構造のバリア層・井戸層の組み合わせでは、各層の厚さが数ｎｍしかなく、特に第２の井戸層、第３の井戸層など、初段に近い井戸層ほど高いサブバンド位置を実現するために薄くする必要があった。
　エネルギーを１ステップ降下させる間の空間的な電子の波動関数の移動距離はその層厚で決まるわずか数ｎｍと構造により規定され、サブバンドの空間的・エネルギー的な配置を自由に設定することは、困難であった。例えば、非特許文献２では、４０周期もの検出単位構造を繰り返しながら、温度７７Ｋにて１０００Ωｃｍ２の抵抗しか実現できなかった。これは検出単位構造１周期あたりでは２５Ωｃｍ２でしかなかった。
　次に、本開示（実施の形態１）の素子構造とその効果について述べる。
　本開示では、励起された光電子の輸送の第１ステップとなる第２の井戸層の構造を工夫し、第２の井戸層を伝導帯エネルギーの異なる複数の領域により１つの井戸層の中に小さな井戸層が組み込まれた構造にする。第２の井戸層の中で上下に配置された２個以上のサブバンドを実現し、第２の井戸層の中だけで極性光学フォノン散乱により、空間的に遠方のサブバンドに高速に１ステップのエネルギー降下できるようにする。こうして、従来の量子カスケード検出器に比べて電子の逆流を防ぎつつ、１桁以上の高抵抗化を実現し、低ノイズ化を達成する。
　実施の形態１の素子の構造は、エネルギー準位の位置で規定した構造１、伝導帯エネルギーの位置で規定した構造２、および量子井戸の繰り返し単位で規定した構造３の少なくとも何れかで規定することができる。
　＜構造１＞
　図１に示すように、第１の面側から第１の導電体層１、検出層２、および第２の導電体層３が順次配置された光検出器１００１とする。図１では、光１５が第１の面側から入射するように表現されているが、そのように制限するものではなく、第１の面側の反対面側である第２の面側から入射しても構わない。
　図３は、検出層２のエネルギーバンド図（エネルギー状態図）である。図３に示されるように、検出層２は、第１の導電体層１（１ａ）に接する面側から、第１のバリア層１０２、励起井戸層である第１の井戸層１０３、第２のバリア層１０４、遷移井戸層である第２の井戸層１０５、および第３のバリア層１０６が順次備えられた量子井戸を備える。
　第１の井戸層１０３は、少なくとも基底準位と励起準位とを備える。そして、第１の井戸層１０３はｎ型不純物で形成されていることが好ましい。井戸層がｎ型不純物であると、一般に電子の有効質量の方がホールの有効質量よりも小さいため、検出層２の光吸収効率が高く、また応答が高速になる。また、研究事例が豊富なために検出層２の高精度な設計が容易である。
　第１のバリア層、第２のバリア層１０４、および第３のバリア層１０６の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは、第１の井戸層１０３の励起準位より高い。第１のバリア層、第２のバリア層１０４および第３のバリア層１０６の厚さは、トンネル電流が流れる厚さである。
　第２の井戸層１０５は、２以上の準位Ａｎ（ｎは１からはじまる整数）を備える。該準位の１つである準位Ａ１は、第２のバリア層１０４が配置された第１の面に接し、かつ、第１の井戸層１０３の励起準位と略等しい。第２の井戸層１０５の他の準位Ａｎ′（ｎ′は２以上の整数）は、第３のバリア層１０６が配置された第２の面に接し、かつ準位Ａ１以下のエネルギーレベルである。
　準位Ａ１と第１の井戸層１０３の励起準位とのエネルギー差は、０ｍｅＶ以上１５ｍｅＶ以下（より好ましくは０ｍｅＶ以上１０ｍｅＶ以下）であることが好ましい。エネルギー差がこの範囲に入ると、効率よく光電子やエネルギーの輸送がなされ、光電子の逆流が抑制されるため、光検出器としての感度や抵抗が上がる。
　第１の導電体層１は、第１の導電性層１ａと第１の金属電極１ｂを有する。第１の導電性層１ａは、第１の金属電極１ｂと検出層２とをオーミック接続する性質をもつことが好ましく、この観点から、第１の導電性層１ａは、第１のコンタクト層としても機能する。第２の導電体層３は、第２の導電性層３ａと第２の金属電極３ｂを有する。第２の導電性層３ａは、第２の金属電極３ｂと検出層２とをオーミック接続する性質をもつことが好ましく、この観点から、第２の導電性層３ａは、第２のコンタクト層としても機能する。入射光１５は、第１の導電体層１ａまたは第２の導電体層３ａから入射し、第１の導電体層１ａおよび／または第２の導電体層３ａは、入射光１５に対して透過性を有する。
　第１の導電体層１および第２の導電体層３は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を構造物の一部として備えることが好ましい。特に、前記混晶は、検出層２に接することが好ましい。言い換えれば、第１の導電性層１ａおよび第２の導電性層３ａは、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなることが好ましい。この材料構成により、第１の金属電極１ｂと検出層２、および第２の金属電極３ｂと検出層２の電気的接触が良好になる。
　検出層２は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１以上を含むことが好ましい。また、検出層２は、この群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶であることも好ましい。検出層２は、この群より選ばれる１以上からなることも好ましい。これらの群からなる材料が含まれることにより、原子層レベルで結晶性や厚さや平坦性の制御が可能となり、これらの群からなる材料による混晶となることにより必要な伝導帯エネルギーの高さが実現できる。この結果、これらの群からなる材料からなることにより要求に適した検出層の構造を設計し、その通りに実現することが可能となる。
　光１５が入射すると、第１の井戸層１０３で励起が起こり、励起された光電子はトンネル効果により第２の井戸層１０５に輸送される。第２の井戸層１０５は、第１の井戸層１０３より離れるほどエネルギーレベルが下がる複数の準位を有する。この結果、第２の井戸層１０５の中における極性光学フォノン散乱によって、空間的に遠方のサブバンドに高速に１ステップのエネルギー降下が起こり、光電子の流れが一方通行になるとともに、抵抗が上がる。
　ここで、検出層２内の第３のバリア層１０６と第２の導電体層３ａの間にカスケード井戸層とバリア層の対が１対以上備えられたカスケード井戸層群、特に、第３のバリア層１０６から第２の導電体層に向かうほどカスケード井戸層における基底サブバンドのエネルギーレベルが単調に低下しているカスケード井戸層群が形成されていると、感度や応答速度がより向上して好ましい。
　＜構造２＞
　図１に示すように、光１５の入射面側から第１の導電体層１、検出層２、および第２の導電体層３が順次配置された光検出器１００１とする。
　ここで、検出層２は第１の導電体層１（１ａ）に接する面側から、エネルギーバンド図（エネルギー状態図）である図３に示されるように、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層１０３、第２のバリア層１０４、遷移井戸層である第２の井戸層１０５、および第３のバリア層１０６が順次備えられた量子井戸を備える。
　第１の井戸層１０３は基底サブバンドと１個以上の高次サブバンドを有し、第１のバリア層１０２、第２のバリア層１０４および第３のバリア層１０６の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記高次サブバンドの最大のエネルギーレベルより高く、第１のバリア層１０２、第２のバリア層１０４および第３のバリア層１０６の厚さはトンネル電流が流れる厚さとする。ここで、第１の井戸層１０３はｎ型不純物で形成されていることが好ましい。ｎ型不純物であると、一般に電子の有効質量の方がホールの有効質量よりも小さいため、光吸収効率が高く、また応答が高速になる効果がある。また、研究事例が豊富なために高精度な設計が容易である。
　第２の井戸層１０５は、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域で構成された２個以上のサブバンドを含む。第２の井戸層１０５の井戸層内の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは、第２のバリア層１０４から第３のバリア層１０６に向かうにつれて、階段状および／または傾斜状に下がる。
　第１の導電体層１は、構造１と同様に、入射光１５を通す第１の導電性層１ａと第１の金属電極１ｂからなる。第１の導電性層１ａは、第１の金属電極１ｂと検出層２とをオーミック接続する性質をもつことが好ましく、この観点から、第１の導電性層１ａは、第１のコンタクト層としても機能する。第２の導電体層３は、第２の導電性層３ａと第２の金属電極３ｂからなる。第２の導電性層３ａは、第２の金属電極３ｂと検出層２とをオーミック接続する性質をもつことが好ましく、この観点から、第２の導電性層３ａは、第２のコンタクト層としても機能する。
　第１の導電体層１および第２の導電体層３は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を構造物の一部として備えることが好ましい。特に、前記混晶は検出層２に接することが好ましい。言い換えれば、第１の導電性層１ａおよび第２の導電性層３ａは、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなることが好ましい。この材料構成により、第１の金属電極１ｂと検出層２、および第２の金属電極３ｂと検出層２の電気的接触が良好になる。
　検出層２は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１以上を含むことが好ましい。また、検出層２は、この群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶であることも好ましい。検出層２は、この群より選ばれる１以上からなることも好ましい。これらの群からなる材料が含まれることにより原子層レベルで結晶性や厚さや平坦性の制御が可能となる。これらの群からなる材料による混晶となることにより必要な伝導帯エネルギーの高さが実現できる。これらの群からなる材料からなることにより、要求に適した検出層の構造を設計し、その通りに実現することが可能となる。
　光１５が入射すると、第１の井戸層１０３で励起が起こり、励起された光電子はトンネル効果により第２の井戸層１０５に輸送される。第２の井戸層１０５は、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域で構成され、この伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは、第２のバリア層１０４から第３のバリア層１０６に向かうにつれて、階段状および／または傾斜状に下がる。このため、検出層２における光電子の流れが一方通行になるとともに、抵抗が上がる。
　ここで、検出層２内の第３のバリア層１０６と第２の導電体層の間に、カスケード井戸層とバリア層の対が１対以上備えられたカスケード井戸層群（特に、第３のバリア層１０６から第２の導電体層に向かうにつれてカスケード井戸層における基底サブバンドのエネルギーレベルが単調に低下しているカスケード井戸層群）が形成されていると、検出層２感度や応答速度がより向上して好ましい。
　＜構造３＞
　構造３の光検出器１００１は、図１に示すように、光１５の入射面側から第１の導電体層１、検出層２、および第２の導電体層３が順次配置され、検出層２内に伝導帯エネルギーの高いバリア層と伝導帯エネルギーの低い井戸層を備える。光検出器１００１は、井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する半導体光検出器である。
　そこでは、エネルギーバンド図（エネルギー状態図）である図３に示されるように、光１５が入射する第１の面側から電子供給層１０１、第１のバリア層１０２から第１の井戸層１０３、第２のバリア層１０４と順に始まる第１から第ｍ（ｍは２以上の整数）までのバリア層と井戸層の対、第（ｍ＋１）のバリア層（図３ではｍ＝６として、第７のバリア層１０８までを例示している）、および電子回収層１０９が順次配置されている。
　第１の井戸層１０３は、エネルギーレベルが最も低い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの高い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して基底サブバンドから高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドに光電子を励起する。ここで、第１の井戸層１０３はｎ型不純物で形成されていることが好ましい。ｎ型不純物であると、一般に電子の有効質量の方がホールの有効質量よりも小さいため、光吸収効率が高く、また応答が高速になる。また、研究事例が豊富なために高精度な設計が容易である。
　第２の井戸層１０５は、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域から構成される。第２の井戸層１０５は、第２のバリア層１０４が配置されたＡ面側から第３のバリア層１０６が配置されたＢ面側にかけて、階段状および／または勾配状でエネルギーレベルが単調に前記Ａ面側が高くＢ面側が低い、２個以上のサブバンドを備える。このことにより、第２の井戸層１０５の中だけで極性光学フォノン散乱により、空間的に遠方のサブバンドに高速に１ステップのエネルギー降下が起こる。
　第２の井戸層１０５から前記第ｍの井戸層は光電子を前記電子回収層に向かって輸送する。こうして、従来の量子カスケード検出器に比べて電子の逆流を防ぎつつ、高抵抗化を実現し、低ノイズな光検出器が提供される。
　ここで、第２の井戸層１０５の基底サブバンドの波動関数の２乗重心位置は、第１の井戸層１０３の基底サブバンドの波動関数の２乗重心位置から１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下離れて配置されていることが好ましい。２乗重心位置がこの範囲にあると、波動関数のコヒーレンシーを保った範囲において極力遠方に電子を輸送し、高い抵抗の実現することができる。
　また、第１の井戸層１０３の何れかの高次サブバンドと第２の井戸層１０５の高次サブバンドが結合し、それぞれのサブバンドを起源とする結合バンドと反結合バンドが形成されていることも好ましい。結合バンドと反結合バンドが形成されることにより、コヒーレントな共鳴トンネル効果により第１の井戸層１０３から第２の井戸層１０５に電子を効率よく高速に輸送するという効果が生まれる。
　結合バンドと反結合バンドとのエネルギー差は、０．１ｍｅＶ以上１５ｍｅＶ以下が好ましい。結合バンドと反結合バンドとのエネルギー差がこの範囲にあると、特に電子の逆流を抑制する効果が生まれる。
　さらに、第２の井戸層１０５の高次サブバンドから第２の井戸層１０５の基底サブバンドへの緩和遷移において、極性光学フォノン散乱の寄与が最大になることが好ましい。極性光学フォノン散乱の寄与が最大になると、あるサブバンドから他のサブバンドへの電子の遷移が効率よく高速に起こるという効果が生まれる。
　また、第２の井戸層１０５の高次サブバンドから第２の井戸層１０５の基底サブバンド間のエネルギー差は、１５ｍｅＶを超えて６０ｍｅＶ以下であることが好ましい。サブバンド間のエネルギー差がこの範囲にあると、ＬＯフォノンのエネルギー（ＧａＡｓの場合には３６ｍｅＶ）との共鳴により効率よく高速に電子が次の準位に遷移する。
　また、第２の井戸層１０５の高次サブバンドから第２の井戸層１０５の基底サブバンド　加えて、ｍが３以上の整数の場合は、第２の井戸層１０５以降の井戸層の基底サブバンドのエネルギーレベルが順に下がっていることが好ましい。基底サブバンドのエネルギーレベルが順に下がることによって、電子回収層１０９に向かって効率よく高速な電子輸送が実現する。
　第１の導電体層１は、構造１および２と同様に、入射光１５を通す第１の導電性層１ａと第１の金属電極１ｂからなる。第１の導電性層１ａは、第１の金属電極１ｂと検出層２とをオーミック接続する性質をもつことが好ましく、この観点から第１のコンタクト層としても機能する。第２の導電体層３は、第２の導電性層３ａと第２の金属電極３ｂからなる。第２の導電性層３ａは、第２の金属電極３ｂと検出層２とをオーミック接続する性質をもつことが好ましく、この観点から、第２の導電性層３ａは、第２のコンタクト層としても機能する。
　第１の導電体層１および第２の導電体層３は、構造１および２と同様に、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を構造物の一部として備えることが好ましい。特に、前記混晶は検出層２に接することが好ましい。言い換えれば、第１の導電性層１ａおよび第２の導電性層３ａは、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなることが好ましい。この材料構成により、第１の金属電極１ｂと検出層２、および第２の金属電極３ｂと検出層２の電気的接触が良好になる。
　検出層２は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１以上を含むことが好ましい。また、検出層２は、この群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶であることも好ましい。検出層２は、この群より選ばれる１以上からなることも好ましい。これらの群からなる材料が含まれることにより原子層レベルで結晶性や厚さや平坦性の制御が可能となり、これらの群からなる材料による混晶となることにより必要な伝導帯エネルギーの高さが実現できる効果が生まれ、これらの群からなる材料からなることにより要求に適した検出層の構造を設計し、その通りに実現することが可能となる。
　なお、検出層２は、構造１および２も同様であるが、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法にて単結晶上にエピタキシャル結晶を成長させて作製することができる。他の方法としては、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、黒リン、グラフェン、六方晶ＢＮなどの層状材料を積層する方法を挙げることもできる。
　なお、検出層２は、２以上の層構造を直列に配置させた構成としてもよい。１の層構造は、ｍ対のバリア層と井戸層の組み合わせ（第１のバリア層１０２、第１の井戸層１０３、第２のバリア層１０４、第２の井戸層１０５，…、第ｍのバリア層、第ｍの井戸層）を含む（ｍ：２以上の整数）。ｍ対のバリア層と井戸層を含む層構造を積層して、検出層２を構成することで、検出器２の吸収効率および抵抗を向上させることができる。
　また、構成１、２および３において、第１のバリア層１０２、第１の井戸層１０３、第２のバリア層１０４、第２の井戸層１０５、および第３の井戸層１０７の何れか１以上が、複数のバリア層と井戸層で構成される超格子構造を有するようにしてもよい。超格子構造を導入することにより、さらに任意性の高いサブバンドエネルギーの設定が可能になり、また、ミニバンドの形成よりエネルギー準位に幅が生じるため、作製誤差に依存しない頑健な電子輸送が可能になる。
　（実施の形態２）
　実施の形態２の光検出器は、実施の形態１で説明した量子井戸型光検出器にプラズモン共振器を組み合わせて感度等の性能を飛躍的に向上させた光検出器である。
　実施の形態２のプラズモン共振器を用いた量子井戸型光検出器（プラズモン共鳴方式量子井戸赤外検出器）１００４は、図９（ａ）に示すように、金属層１３ｃの上に量子機能層および第１の金属電極１１ｂが順に積層される。量子機能層は、実施の形態１で説明した構造の、第１のコンタクト層１１ａと第２のコンタクト層１３ａに挟まれた検出層１２からなる。また、島状あるいはメッシュ状の金属パッチ１７が光検出領域の量子機能層上に形成されている。
　量子機能層の下側には第２の金属電極１３ｂが電気的に接続されている金属層１３ｃが配置され、量子機能層が金属パッチ１７と金属層１３ｃに挟まれている。ここで、金属層１３ｃは、それ自体で基板を構成する金属基板であってもよいし、十分な剛性を有する基板、例えば、ＳｉやＧａＡｓのような半導体基板１３ｄ上に形成された金属層１３ｃでもよい。図９の（ａ）に示す光検出器１００４においては、ＧａＡｓ製である半導体基板１３ｄの表面上に、金属層１３ｃを形成している。
　金属層１３ｃの材料としては、誘電率の実部が負の値をもつ導電体であれば特に制限はないが、誘電率の虚部が小さいものが好ましい。金属層１３ｃの材料として、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。また、金属層１３ｃの材料は、必ずしも金属に限らず、ＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体を用いることもできる。
　検出層１２と金属層１７との間には第２のコンタクト層１３ａが配置されている。検出層１２は、金属層１３ｃとオーミック接触していることが光検出器の高感度化、大出力化に好ましいためである。
　ここで、量子機能層の厚さは、プラズモン共鳴を起こす膜厚に設定しておくことが好ましい。具体的な範囲の目安としては、金属パッチ１７と金属層１３ｃとの間の厚さＤ（すなわち検出層１２と第１のコンタクト層１１ａと第２のコンタクト層１３ａを合わせた厚さ）が、０より大きく、λ／（２ｎ）未満である。ここで、屈折率ｎは、入射光の波長λに対する検出層１２と第１のコンタクト層１１ａと第２のコンタクト層１３ａの平均屈折率である。厚さＤは、より具体的には、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こす厚さである。
　金属パッチ１７の材料としては、誘電率の実部が負の値をもつ導電体であれば特に制限はないが、誘電率の虚部が小さいものが好ましい。金属パッチ１７の材料として、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。また、金属パッチ１７の材料は、必ずしも金属に限らずＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体を用いることもできる。
　金属パッチ１７の配置は、例えば、アレー状配置（線状配列、一次元配列）やマトリックス状配置（格子状配列、二次元配列）、が好ましい。また、金属パッチ１７をアレー状またはマトリックス状に配置する代わりに、周期的な開口がメッシュ状に形成された（メッシュ状配置とも呼ぶ）金属層を用いることもできる。入射した光を最大限にプラズモン共鳴に利用して感度や出力を向上させるためである。
　金属パッチ１７のパターンピッチＰおよびパターン幅Ｌは、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こすサイズに設定することが好ましい。金属パッチ１７のパターンピッチＰとしては、０．５μｍ以上２００μｍ以下を挙げることができる。例えば、波長７．０μｍの光を検出するためにはパターン幅Ｌを０．９９μｍ、ピッチＰを２．５μｍとすることが好ましい。
　金属パッチ１７の高さは、プラズモン共鳴を十分に起こす程度には厚く、遮光を起こさない程度に薄くすることが好ましい。金属パッチ１７の高さを、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
　なお、実施の形態２の光検出器は、図９（ｂ）に示すように、第１の導電体層１１側から形成されて検出層１２を挟んで第１、第２の導電体層の順番が逆転した構成としてもよい。この場合、検出器は、例えば、第１のコンタクト層１１ａが金属層１１ｃに接して形成され、その後、第１のコンタクト層１１ａ上に検出層１２、第２のコンタクト層１３ａ、および第２の金属電極１３ｂが順次形成されたプラズモン共鳴方式量子井戸赤外検出器１００５となる。検出層１２の最表面が電子供給層１０１側とするか電子回収層１０９側にするかは、単純に作製手順の差であって、どちらを選択しても、特に性能の差は生じない。
　実施の形態２の光検出器１００４は、実施の形態１で説明したＳＮ比が飛躍的に優れる量子井戸型光検出器と、感度が飛躍的に高まるプラズモン共振器がお互いの特徴を損なうことなく組み合わさり、ＳＮ比、感度ともに優れる光検出器になる。
　（実施の形態３）
　実施の形態３の光検出器は、電子に代わってホールを使用した光検出器である。
　実施の形態１および２では、光電子の流れを使用して光検出を行っている。本開示の第２の井戸層の特徴を備えれば、逆極性の構造の光検出器を提供することもできる。すなわち、電子をホールに、ｎ型をｐ型に、伝導帯を価電子帯に、エネルギーの上下関係を逆転して置き換えることにより、逆極性の構造の光検出器が提供される。
　実施の形態１，２および３に示した本開示の光検出器の光検出波長は、その動作原理から特に限定はなく、例えば波長１００ｎｍ～１０００μｍの遠紫外、紫外、可視、赤外および遠赤外領域を対象とすることができる。したがって、背景で述べたＨｇＣｄＴｅを使用した従来の光検出器の３～１０μｍ赤外領域も検出対象で、本開示により、ＨｇやＣｄによる毒物汚染の問題も回避することが可能になる。
　なお、結晶性や低欠陥の観点で優れる品質の物を安定して製造しやすいＧａＡｓは、特に本開示の光検出器の検出層２の材料として好適である。ＧａＡｓを検出層に用いた場合、そのバンドギャップ制御範囲から、波長４μｍ～３０μｍの赤外域の光を好適に検出することができる光検出器を供給することが可能になる。
　（実施例１）
　実施例１では、実施の形態１に記載の光検出器１００１の一具体例である光検出器１００２を試作し、その評価結果を、図４に示すバンド構造をもつ従来型の光検出器と比較して示す。光検出器１００２は、光検出器１００１と同様に、図３に示すバンド構造の検出層２を備える。なお、図２の（ａ）は、光検出器１００２の主要部の構造を断面図によって示した構造図である。図２の（ｂ）は、光検出器１００２の変形例である光検出器１００３の主要部の構造を断面図によって示した構造図である。光検出器１００２は、導電性を有する基板１３ｃ（図２の（ａ）参照）として、ＧａＡｓ基板を用いた。光検出器１００３は、導電性を有する基板２１ｃ（図２の（ｂ）参照）として、ＧａＡｓ基板を用いた。より詳しくは、基板１３ｃおよび基板２１ｃの各々を構成するＧａＡｓとして、ｎ型ＧａＡｓを用いた。なお、基板１３ｃを構成するｎ型ＧａＡｓは、光の透過率の高さよりも導電性の高さを優先してｎ型のドープ量を定めた。一方、基板２１ｃを構成するｎ型ＧａＡｓは、導電性の高さよりも光の透過率の高さを優先してｎ型のドープ量を定めた。すなわち、基板２１ｃを構成するｎ型ＧａＡｓにおけるドープ量は、基板１３ｃを構成するｎ型ＧａＡｓにおけるドープ量よりも低い。
　図２の（ａ）に示すように、光検出器１００２は、第１のコンタクト層１１ａと、第１の金属電極１１ｂと、検出層１２と、第２のコンタクト層１３ａと、第２の金属電極１３ｂと、基板１３ｃと、を備えている。第１のコンタクト層１１ａと、第１の金属電極１１ｂとは、第１の導電体層を構成し、第２のコンタクト層１３ａと、第２の金属電極１３ｂと、基板１３ｃとは、第２の導電体層１３を構成する。
　図２の（ｂ）に示すように、光検出器１００３は、第１のコンタクト層２１ａと、第１の金属電極２１ｂと、基板２１ｃと、検出層２２と、第２のコンタクト層２３ａと、第２の金属電極２３ｂと、を備えている。光検出器１００３の第１のコンタクト層２１ａ、第１の金属電極２１ｂ、基板２１ｃ、検出層２２、第２のコンタクト層２３ａ、および、第２の金属電極２３ｂの各々は、それぞれ、光検出器１００２の第１のコンタクト層１１ａ、第１の金属電極１１ｂ、基板１３ｃ、検出層１２、第２のコンタクト層１３ａ、および、第２の金属電極１３ｂに対応する。基板２１ｃにおいて、ｎ型ＧａＡｓのドープ量は、光線２５の透過率が所定の透過率を上回るように定めた。また、図２の（ｂ）に示すように、基板２１ｃの一側面（図２の（ｂ）においては左側に位置する側面）は、主面に対して４５°の角度を有するように研磨されている。光線２５は、主面に対して４５°の角度を有する側面より基板２１ｃに入射し、第１のコンタクト層２１ａに至る。
　＜素子構造＞
　実施例１による光検出器１００１の検出層１２のバンド構造（伝導帯エネルギー構造およびサブバンドの波動関数）を図３に、その詳細な層構成を表１に示す。また、比較例として、図４および表２に示す従来型の量子カスケード検出器を作製した。
　ここで、これまでに報告された光起電力型量子井戸赤外検出器では、同じ検出単位構造を数１０周期繰り返す場合が大半である。しかし、実施例１では、各バリア層、各井戸層によって決まる特性だけを明確に観測および比較できるように、検出単位構造が１周期だけの基本構造を説明する。光検出器１００２では、電子は、電子供給層１０１から供給され、入射した光１５の輝度に比例した量の光電子が第１井戸層１０３内で励起され、光電子は、その後、右向きに輸送され、右端側に配置された電子回収層１０９に到達して、外部回路により検出される。
　一方、比較用量子カスケード検出器は、実施例１の光検出器１００２と公平に比較できるよう、非特許文献２を参考にしつつ、図３および表１と検出波長や各バリア層、各井戸層の厚さができる限り共通になるように設計した。具体的には、比較用量子カスケード検出器は、電子供給層２０１から第１のバリア層２０２までの区間が、実施例１の光検出器１００２の電子供給層１０１から第１のバリア層１０２までの区間と同一構造である。また、第３の井戸層２０７から電子回収層２０９までの区間が、第３の井戸層１０７から電子回収層１０９までの区間と同一構造である。ただし、比較用量子カスケード検出器は、実施例１の光検出器１００２の第２の井戸層１０５と第３のバリア層１０６に相当する部分において、第２の井戸層２０５から第４のバリア層までを含んでいる。そのため、後半の共通部分は比較用量子カスケード検出器では第４の井戸層以降に相当する。
　実施例１（図３）および比較用量子カスケード検出器（図４）の左端には第１の金属電極が配置されている。それぞれの第１の金属電極と続くのは電子供給層１０１および電子供給層２０１として働く厚さ４８ｎｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層である。電極とのトンネリングオーミック接合を実現するため、後述するＳｉドープ密度構成としている。電極側は、厚さ２８ｎｍに渡って５×１０１８ｃｍ－３の高ドープがなされており、さらに、４ｎｍおきに３×１０１２ｃｍ－２のデルタドープ層が７層挿入されている（特許７００２１２６参照）。第１のバリア層１０２および第１のバリア層２０２に近い厚さ２０ｎｍの領域は、２×１０１８ｃｍ－３のドープ密度である。この構成により、金属を成膜するだけで合金化処理をすることなくオーミック接合が実現するため、後述の実施例２のようにプラズモン共振器と組み合わせる場合にも良好な性能を維持できる。
　各バリア層は基本的にＡ１組成ｘ＝０．４０のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓである。電子供給層１０１および電子供給層２０１から第１の井戸層１０３および第１の井戸層２０３へは第１のバリア層１０２および第１のバリア層２０２をトンネルすることで電子が供給される。
　第１の井戸層１０３および第１の井戸層２０３は１×１０１８ｃｍ－３のＳｉドーピングをしたｎ型ＧａＡｓである。ただし、実施例１の光検出器１００２と比較用量子カスケード検出器とでは厚さがわずかに（１原子層分）異なる。これは両者がほぼ同じ波長で感度ピークをもつように設計した結果に基づいている。第２のバリア層１０４および第２のバリア層２０４は両光検出器とも共通で、厚さ５．６５ｎｍであり、Ａ１組成ｘ＝０．４０のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓである。
　比較用量子カスケード検出器では、これ以降、ドープしていないＧａＡｓ井戸層とｘ＝０．４０のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓバリア層が第８のバリア層２０８まで交互に繰り返される。ただし、井戸層の厚さは徐々に厚くなっている。これは光励起された電子のエネルギーを高速に下準位に緩和できる極性光学フォノン散乱により順次輸送するためである。この構成は非特許文献２を参考に決定したものであるが、本実施例では、現象の複雑化を防ぐため、第３のバリア層から第８のバリア層までのバリア層の厚さは一定値（３．９６ｎｍ）とした。なお、実施例１では、光検出器の抵抗を少しでも高くするため、各バリア層は一般事例に比べて厚めに選んでいる。
　ここで注目すべきことは、実施例１の光検出器１００２は、第２の井戸層１０５の構造が従来構造型である比較例と大きく異なることである。
　第２の井戸層１０５の中にＡ１組成ｘが異なる領域が作り込まれている。第２の井戸層１０５の前半は厚さ１１．３１ｎｍのｘ＝０．３２のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ、後半は厚さ５．６５ｎｍのｘ＝０．２５のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓであり、第２の井戸層１０５の底（伝導帯エネルギー）はステップ状になっている。また、続く第３のバリア層１０６は第２のバリア層１０４と同じく、厚さ５．６５ｎｍのｘ＝０．４０のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓとした。これは比較用量子カスケード検出器にて第３のバリア層２０６以降の厚さを３．９６ｎｍ厚としたのに比べると厚い。（下記、単にＡｌＧａＡｓと記した場合にはＡｌｘＧａ１－ｘＡｓを指すものとする。）
　その後、実施例１の光検出器１００２の第３の井戸層１０７から第７のバリア層１０８と、比較用量子カスケード検出器の第４の井戸層から第８のバリア層２０８までは同一構造である。最後の井戸層まで到達した電子は、最後のバリア層をトンネルして電子回収層１０９および電子回収層２０９へと輸送される。。
　電子回収層１０９および電子回収層２０９として働く厚さ４８ｎｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層は、電子供給層のｎ型ＧａＡｓコンタクト層と同一の構造を反転させて形成したものである。ｎ型ＧａＡｓコンタクト層の高ドープ領域は第２の金属電極と接し、トンネリングオーミック接合を実現している。
　＜動作原理＞
　図４および表２に示した従来型の量子カスケード検出器に対して、実施例１の光検出器１００２を図３および表１のように設計した理由は以下の原理に基づいている。
　量子カスケード検出器の無バイアス時の抵抗の理論的算出方法は非特許文献３により与えられており、抵抗は図３や図４で示したようなサブバンド間の遷移速度により記述できる。
　より具体的には、抵抗は、第１の井戸層１０３および第１の井戸層２０３の基底サブバンドからそれ以外のサブバンドへの遷移速度の総和に反比例する。
　抵抗（無バイアス時の抵抗：Ｒ０）は素子の面積（Ａ）で規格化して、無バイアス時の抵抗×面積Ｒ０Ａ（単位Ωｃｍ２）の形とするのが一般的で、遷移速度の総和ΣＧｉｊとの関係は以下のように表される。
　ここで、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅは電子の電荷である。抵抗の逆数をコンダクタンスと呼ぶことから、遷移速度がコンダクタンスを表していると考えてもよい。
　サブバンド間の遷移の原理としては、最も高速で主要な遷移である極性光学フォノン散乱を考える。絶対温度７７Ｋなど、ここで主に扱う温度帯域では妥当な仮定と考える。極性光学フォノン散乱は典型的には１ピコ秒（ｐｓ）度の寿命で起こる。この極性光学フォノン散乱による遷移速度Ｇｉｊをすべての遷移パス（ｉ→ｊ）について低く抑えるほど高い抵抗が実現できる。
　遷移速度Ｇｉｊを表す詳細な数式は、概略として、極性光学フォノン散乱による遷移速度は両サブバンドの波動関数の重なり積分と、電子の占有状態を表すフェルミ・ディラック関数で記述される。
　波動関数の重なり積分とは、波動関数の空間的な重なりの大きさを表わし、図３および図４においては、２つの波動関数を横軸方向に見たときに、どれだけ重なっているか、どれだけずれているかを表す。例えば、図３および図４の基底サブバンド（状態１）から光吸収により遷移して到達する状態２や状態３は、状態１に対して波動関数が真上に位置するので、空間的重なりが大きく、状態２や状態３から状態１へは遷移速度が大きい（遷移しやすい）。一方で、状態２や状態３の右下に位置する状態４は状態１に対して重心位置が右方向に移動しているので、状態２や状態３に比べると重なり積分は小さく、状態４から状態１へは遷移速度が小さい（遷移しにくい）。
　光起電力型量子井戸赤外検出器とは、光励起により状態１から状態２や状態３に遷移した電子が状態１や電子供給層１０１および電子供給層２０１ではなく、専ら状態４から状態８の何れかに輸送されるように人工的な構造を設計・製作することにより光感度を発現させようとする光検出器である。
　従来のｐｎ接合に基づくフォトダイオードでは、バンド間の光吸収により生じた電子とホールがｐｎ接合により形成される伝導帯エネルギーや価電子帯エネルギーの形状により自動的に一方向に輸送され、出力電流が生じていた。一方、光起電力型量子井戸赤外検出器は、量子井戸の中に形成されるサブバンド間の光吸収により生じた電子を巧みに設計・製作された量子井戸列により、人工的に一方向に輸送しようとする光検出器である。
　この実施例で議論している構造はｎ型半導体に基づいているので、サブバンド間遷移で励起されるのは電子だけであり（ホールは励起されない）、従来のｐｎ接合素子とは異なり、電子だけで動作する。
　光吸収層として働く第１の井戸層１０３および第１の井戸層２０３内で励起された光電子は、そのままでは真下の状態１に緩和し、電子は輸送されず、光出力も得られない。しかし、真下に緩和するよりも速く右側に輸送してしまえば、非対称性が生じ、最終的に右側に電子が輸送される可能性が生じる。ここで重要なのが、励起された電子を右側に引き抜くために高速緩和で知られる極性光学フォノン散乱を利用することである。
　従来の量子カスケード検出器では、
　（１）第１の井戸層２０３の励起サブバンドと右側に隣接する第２の井戸層２０５の基底サブバンドを強くトンネル結合させ、励起サブバンドの波動関数を右側に広く分布させること、
　（２）右側に広く分布させた電子を、第３の井戸層２０７のサブバンドへと、極性光学フォノン散乱遷移を使って高速に引き抜くこと、
により、電子輸送を効率化・頑健化し、大きな光感度の実現を目指してきた。
　（１）のトンネル結合とは、第１の井戸層２０３の励起サブバンドと第２の井戸層２０５の基底サブバンドのエネルギーがほぼ一致するように設定することにより、第２のバリア層２０４を介して両方の波動関数が影響し合い、両者が混合して新たな２つの準位（結合準位と反結合準位）を形成する現象である。これにより、元になる第１の井戸層２０３の波動関数と第２の井戸層２０５の波動関数を同じ符号と逆符号で足し合わせたような新たな２つの準位が形成される。図４の状態２、状態３はそのようにして形成されている。この状況を実現するため、図４および表２の量子カスケード検出器では、第２の井戸層２０５を製造に支障を来さない範囲で究めて薄くし（わずか４原子層）、基底サブバンドが非常に高い位置に配置されるようにしている。また、第２のバリア層２０４は、第１の井戸層２０３の波動関数と第２の井戸層２０５の波動関数の裾が互いに混じり合う程度に厚すぎないように設定してある。隣り合う井戸層間のトンネル遷移は上述してきた極性光学フォノン散乱遷移よりもさらに高速の遷移（＜１ｐｓ）として知られており、状態１から光吸収により励起された電子は高速に状態２、状態３の幅広く分布した状態へと移動する。
　そして、第３の井戸層２０７の基底サブバンドとして形成された状態４はこれらと空間的に広く重なり、かつ、エネルギー間隔がＧａＡｓの極性光学フォノンのエネルギーである３６ｍｅＶに近くなるように設定してある。極性光学フォノン散乱遷移はエネルギー間隔が極性光学フォノンのエネルギーに近いときに共鳴的に高速に起こる（０．１～１ｐｓ）。これにより状態１の電子は光を吸収すると共鳴トンネルによる状態２、状態３を経て高速に極性光学フォノン散乱遷移により状態４へと移動する。そうなると、電子はもはや状態１には容易には戻れない。
　第３の井戸層２０７により形成された状態４から、順次、３６ｍｅＶずつエネルギーが降下するように状態５、状態６、状態７、状態８が設定されていると、電子は次々に右下に運ばれる。このようにサブバンドが階段状に設定された構造が、量子カスケードレーザの登場以来、一般に「カスケード」構造と呼ばれてきた。こうして電子供給層２０１から電子回収層２０９への一方向への電子輸送が実現されてきた。
　しかしながら、この様子を非特許文献３の理論により丁寧に解析すると、電子輸送はこのように完璧に起こるわけではない。状態４と状態１には空間的にわずかの重なりがあり、その間の遷移レートは完全にゼロではない。また、状態４から同様に約３６ｍｅＶ下に極性光学フォノン散乱により遷移した状態５もなお、状態１と決して無視できない重なりをもっている。
　非特許文献３の遷移レートでは、波動関数の重なりの他に、フェルミ・ディラック関数も重要な寄与をしている。簡潔に言うと、両波動関数のエネルギーが遠いほど遷移レートは小さく、エネルギーが近いほど遷移レートは大きい。これは図３および４において、縦軸方向に見たときに、波動関数がどれだけ近いか、遠いかで議論できる。状態４から遷移した状態５は、空間的には状態１から順次遠方に離れていく。ところが、状態５は状態４に比べてエネルギー的には状態１に近付いている。実際の素子全体の抵抗はこれらの個々の要素遷移速度の総和から求められるが、従来の量子カスケード検出器ではこのように、順次遷移して行った電子が、空間的には遠ざかりつつも、エネルギー的には逆に近付いてしまうために、第１の井戸層１０３および第１の井戸層２０３の基底サブバンドとの間で低い遷移速度、高い抵抗を実現することが必ずしも容易ではなかったことが問題であった。
　図５は、空間的距離・エネルギー的距離がどのように抵抗に影響するかを典型的なモデルケースについて定量的に計算した結果である。典型的な波動関数として、伝導帯エネルギー差０．３ＶのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造の幅５ｎｍの量子井戸の基底状態を仮定し、同じ形の波動関数が空間的にΔｚ、エネルギー的にΔＥだけ離れた位置にある場合の、７７Ｋにおける両者の間の遷移速度（単位ｍ－２ｓ－１）を等高線で表している。これにより、原点に位置する基底サブバンドと任意の位置（Δｚ，ΔＥ）にある遷移先のサブバンドの間の遷移速度の変化の仕方が視覚的に表現できる。
　予想される通り、波動関数が空間的に離れるほど（図５に示すグラフの右に行くほど）、エネルギー的に離れるほど（図５に示すグラフの上に行くほど）、遷移速度が小さく、そのルートの抵抗が高くなることがわかる。定量的には遷移レートは、２．１ｎｍ空間的に離れるごとに、または、１５ｍｅＶエネルギー的に離れるごとに１桁低下する。
　＜＜従来型の量子カスケード検出器の問題点＞＞
　図５に、図４の比較用量子カスケード検出器の基底サブバンドから見た各サブバンドの波動関数の２乗（電子存在確率）の重心位置ｐ１２～ｐ１７をプロットした。ｐ１２～ｐ１７はそれぞれ図４の状態２～状態７に対応する。これによると、光励起による状態２、状態３から状態４までが遷移速度１０１２ｍ－２ｓ－１以上の範囲に収まっている。状態２と状態３は状態１のほぼ真上にあるので大きな遷移速度を示すのは避けられないが、空間的に離脱させたはずの状態４も同程度の遷移速度を持っていることがわかる。これら３つの状態への遷移速度が均等に高いために、比較用量子カスケード検出器では抵抗が低く制限されている。
　検出したい波長を決めると、第１の井戸層２０３の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー差は決まり、状態２と状態３のエネルギー位置はほぼ確定する。さらに状態４のエネルギーも、状態２、状態３からの極性光学フォノン散乱遷移を極大化しようとすると、状態２、状態３よりも約３６ｍｅＶ下とエネルギーの位置がほぼ決まる。従って、従来型の量子カスケード検出器の状態４のエネルギー方向への設計自由度はほとんどない。加えて、そのようなエネルギー位置を実現するための第３のバリア層２０６や第３の井戸層２０７の厚さもほぼ特定されるため、空間方向への設計自由度も小さい。その結果、状態４が状態２や状態３と同定の大きな遷移速度を持つことが避けられず、抵抗の向上を阻むボトルネックとなっている。発明者は、これが従来の量子カスケード検出器で大きな抵抗の改善が実現してこなかった原理的理由であると考えた。
　＜＜本開示の改良点＞＞
　ここで求められているのは、状態４のエネルギー位置はそのままで、空間的な位置を少しでも遠ざけ、状態４への遷移速度を小さくし、素子全体の抵抗を高くすることである。そこで、実施例１の光検出器１００２では、第２の井戸層１０５の構造を大きく改変した。
　まず、第２の井戸層１０５は、他に比べて極端に厚く浅い井戸とした。第１の井戸層１０３の励起サブバンドとエネルギー位置を合わせるため、井戸の底となる伝導帯エネルギーは他の井戸層に比べて高く、上げ底してある。さらに、第２の井戸層１０５の中に伝導帯エネルギーが低い小さな子井戸層を作り込んだ。このようなステップ状の伝導帯エネルギープロファイルを実現するため、第２の井戸層１０５は、Ａｌ組成ｘが異なるＡｌＧａＡｓの組み合わせで形成されている。この構成により、子井戸層にも一つの状態４が実現し、第２の井戸層１０５の中に状態２、状態３、状態４が共存した状態となっている。状態２、状態３の片方は第１の井戸層１０３の励起状態に由来するものであるので、状態２、状態３の他方と状態４の２つの状態が純粋に第２の井戸層１０５の構造に由来する。
　また、状態４が第２の井戸層１０５の基底サブバンドである。状態４は一つの井戸の中で状態２、状態３の下に位置し、空間的に大きな重なりを持っている。また、状態２、状態３から状態４までのエネルギー差を極性光学フォノンのエネルギーである３６ｍｅＶに近く設定し、状態２、状態３から状態４への極性光学フォノン散乱遷移は高速化している。さらに、第３のバリア層１０６を比較用量子カスケード検出器の相当箇所よりは厚めの５．６５ｎｍとすることにより、第２の井戸層１０５の子井戸層中の状態４の波動関数を強く局在化し、波動関数の振幅を大きく、状態２、状態３から遷移速度を極大化した。
　図３に示す実施例１の光検出器１００２の基底サブバンドから見た各サブバンドの波動関数の２乗重心位置ｐ２２～ｐ２６を図５にプロットした。ｐ２２～ｐ２６はそれぞれ図３の状態２から状態６に対応する。第２の井戸層１０５の改変により、状態４の波動関数２乗重心位置は比較用量子カスケード検出器に比べると９ｎｍも遠方に遠ざけられたことがわかる。遷移速度は４桁以上低減している。これほど遠方に移動してしまえば、もはや事実上、状態４から状態１に遷移する可能性はなくなった。こうして、第２の井戸層１０５の構造の改変により、比較用量子カスケード検出器で抵抗を制限していたボトルネックは解消され、大きな抵抗の実現が可能になった。
　＜作製方法＞
　図３および４の光起電力型量子井戸赤外検出器を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置（ＣＯＭＰＡＣＴ２１Ｔ、ＲＩＢＥＲ社製）を用いて作製した。
　最初に、ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板を準備し、その表面の酸化膜を５８０℃の加熱により除去した後、ＭＢＥ装置を用いて表面平坦化のためのＧａＡｓバッファー層を３００ｎｍの厚さで成長させた。
　しかる後、ｘ＝０．９０のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ犠牲層を９００ｎｍ、ｘ＝０．５５のＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ犠牲層を１００ｎｍの厚さで形成した。このときの形成温度は５８０℃である。これらの犠牲層は後に実施例２において用いることを目的に挿入したものである。またこれらの犠牲層には５×１０１７ｃｍ－３のＳｉをドープしてｎ型にしてあり、実施例１では導電層として利用する。
　この後、図３および図４の多重量子井戸構造を検出層１２に形成したが、このときには前述の表１または表２の構造を下から順に、すなわち、電子回収層１０９または電子回収層２０９となるコンタクト層、第７のバリア層１０８または第８のバリア層２０８、・・・第１の井戸層１０３または第１の井戸層２０３、第１のバリア層１０２または第１のバリア層２０２という順序で、最後が電子供給層１０１または電子供給層２０１となるコンタクト層という順序で積層した。この層以降の形成温度は５３０℃である。
　なお、実際に作製された多重量子井戸構造は正確に設計した通りではない。ＭＢＥによる結晶成長は表１および表２に従って行ったが、成長後の試料のＸ線回折による分析や、作製された光検出器の吸収波長特性から、層厚は７％大きめ、Ａｌ組成ｘは７％小さめに作製されたと推定されている。図３および図４に示してきたバンド図はその誤差を考慮してプロットしたもので、最終的な試料の生の状態を表している。
　サブバンド間遷移には、量子井戸層に垂直な光電場が必須であるため、量子井戸光検出器は（量子井戸層に平行な電場しか含まない）垂直入射光には感度がない。何らかの光学的配置の工夫により、量子井戸層に対して斜め入射させる必要がある。ブリュースター角入射（図２（ａ））、４５°研磨した裏面からの入射（図２（ｂ））などの構成が知られているが、実施例１では、図２（ａ）のブリュースター角入射配置を選択した。
　検出部の面積は、１００μｍ×４００μｍまたは２００μｍ×８００μｍの長方形とし、長辺に沿って垂直から６５度という大きな角度で斜め入射させた。正確なブリュースター角は７３度であるが、測定系の都合上、それに近い入射角である６５度とした。測定によって用いた素子の面積は異なるが、これ以降のすべての特性は検出器面積で正規化した値で議論するので、素子の面積は関係がない。
　図３および４では両側を金属電極で覆われているように描いたが、コンタクト層の前面が金属電極で直接覆われているわけではない。図２では電子供給層側のコンタクト層は大部分が何にも覆われておらず、光の入射窓となる。コンタクト層の一部は厚さ３ｎｍのＴｉと厚さ１００ｎｍのＡｕの蒸着により形成した第１の金属電極１１ｂで覆われており、素子外に配線で接続されている。光入射１５領域のコンタクト層は高導電性のコンタクト層１１ａを通じて配線と等電位に保たれている。また、図２では検出器領域がメサ状に残るように、それ以外の部分は量子井戸部分をすべてエッチングしてあり、第２の金属電極１３ｂは検出器領域近傍のエッチング面上に形成した。従って、この実施例では、図３および４のように第２の金属電極が電子回収層（１０９，２０９）側のコンタクト層に直接接している部分は存在しないが、この部分に作り込んでおいたｎ型ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ犠牲層が導電層として働き、事実上、電子回収層（１０９，２０９）は第２の金属電極１３ｂと電気的に接している状態を実現している。
　＜特性＞
　実施例１の光検出器１００２と比較用量子カスケード検出器の無バイアス時の感度スペクトルを図６にそれぞれ実線と破線で示す。光検出器温度はいずれも７７Ｋである。この感度特性は、クライオスタット（ＬＴＳ－１０１ＤＬ－ＩＲ－ＯＰＴ－ＬＶ、仁木工芸製）に封入して冷却した光検出器をフーリエ変換赤外分光器（ＦＴ／ＩＲ－６２００、日本分光製）の試料位置に配置し、光検出器から得られた信号を微小電流アンプ（ＣＡ５３５０、エヌエフ回路設計ブロック製）で増幅してフーリエ変換赤外分光器の外部入力端子に入力し、感度校正された広帯域標準検出器（ＰＶＩ－２ＴＥ－１０．６、ＶＩＧＯ　ＳＹＳＴＥＭ製）との比較により求めたものである。
　比較用量子カスケード検出器（３９９．６μＡ／Ｗ）に比べ、実施例１の光検出器１００２（１７３．５μＡ／Ｗ）の方が感度が劣る。これは実績のある従来型の量子カスケード検出器に比べ、実施例1の光検出器１００２はまだ量子井戸設計が最適化されていないため、期待した通りの電子輸送が行えていないためと思われる。しかし、赤外検出器にとって最終的に重要なのは感度そのものではなく、信号強度とノイズとの比として求められる検出能（ＳＮ比）であるので、この結果から両光検出器の優劣を比較することはできない。
　また、両者は設計時点では同じ波長に感度ピークが生じるように設計したものであるが、作製誤差や設計の不完全さのために感度ピーク波長を一致させることはできず、５％の差が生じた（実施例1：６．４２μｍ、比較用量子カスケード検出器：６．７５μｍ）。しかし、このことは両者の比較の上で大きな問題ではない。
　なお、今回の試作では、本開示の量子井戸設計の最適化が不十分であったため、無バイアス時の特性では、本開示による光検出器は比較用量子カスケード検出器に比べて感度が劣っていた。しかし、バイアス印加時の特性から、最適に設計できたときの性能をうかがい知ることはできる。図６にバイアス印加により得られた各光検出器の最大感度を×と＋で示す。×と＋はそれぞれ、実施例１の光検出器１００２と比較用量子カスケード検出器の最大感度時のスペクトルである。
　実施例１の光検出器１００２（７７Ｋ、バイアス電圧＋０．３４Ｖにて１０１１μＡ／Ｗ）は、比較用量子カスケード検出器（７７Ｋ、バイアス電圧＋０．０８Ｖにて６４４．９μＡ／Ｗ）よりも高い感度を示した。このことは、図３および表１の量子井戸構造を採用することにより、電子が逆流なく一方向に進む特性が向上し、従来の量子カスケード検出器に比べて高性能な赤外検出器を実現できることを示唆する。
　実施例１の光検出器１００２と比較用量子カスケード検出器の暗状態における原点付近の電流密度・電圧特性を図７（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。暗状態は、光検出器にいかなる輻射も入射しないよう、黒体塗装した２９Ｋのコールドシールドで光検出器前面を覆って実現した。
　量子井戸構造の大きな非対称性を反映して、バイアス電圧の符号が変わると急激に特性が変化する。光起電力型量子井戸赤外検出器において重要なジョンソンノイズを表すのはこの図でバイアス電圧０Ｖの時の傾きの逆数として与えられるＲ０Ａである。抵抗が高いほどノイズの低い良好な光検出器であり、電流密度・電圧図では原点での接線が水平に近い方がよいことになる。図７には、この接線を破線で示した。
　図７（ａ）に比べて図７（ｂ）は縦軸の表示範囲が１桁広いことに注意が必要である。具体的な抵抗値は図７（ａ）の実施例１光検出器１００２が２．２８×１０５Ωｃｍ２、図７（ｂ）の比較用量子カスケード検出器が９．３４×１０３Ωｃｍ２で、実施例１の方が２４．４倍高い抵抗を示す。これが本開示の構造の直接的な効果である。
　なお、比較用量子カスケード検出器のこの抵抗も、従来の量子カスケード検出器に比べると突出して高く、非特許文献２で当時の高抵抗化技術を投入して得られた２５Ωｃｍ－２に比べると４００倍近く高い値である。これは、ここでは、いずれの構造にも従来例よりも厚めのバリア層を採用するなど、全般に高抵抗化を強く意識して設計したためである。
　赤外検出器で最重要の比検出能Ｄ＊（比検出能とは任意の光検出器の検出能を相互比較しやすくした指標）は感度Ｒとノイズ電流スペクトル密度ｉｎ／Δｆ１／２の関係は次のように表される。
また、ジョンソンノイズは
であるので、ジョンソンノイズが支配的な場合の赤外検出器の比検出能ＤＪ ＊は以下のように表される。
　実施例１の光検出器１００２と比較用量子カスケード検出器の暗状態における比検出能スペクトルを図８にそれぞれ実線と破線で示す。この領域ではノイズはジョンソンノイズが支配的で、実施例１の光検出器１００２は、比較用量子カスケード検出器（５．９２×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）よりも高い比検出能１．２７×１０９ｃｍＨｚ１／２／Ｗを示した。こうして図３および表１の量子井戸構造を採用することにより、従来の量子カスケード検出器に比べて高性能な赤外検出器を実現することができた。
　（実施例２）
　実施例２では、実施例１と同一の量子井戸構造を用いたプラズモン共振器方式の量子井戸赤外検出器でも、本開示による光検出器が従来の量子カスケード検出器に比べて高い性能を実現できることを示す。
　＜構造＞
　先に、サブバンド間遷移には、量子井戸層に垂直な光電場が必須であるため、量子井戸光検出器は垂直入射光には感度がないという問題を述べた。これまでの量子井戸光検出器では、図２に示したようなブリュースター角入射、４５°裏面入射など、特殊な配置や形状により量子井戸層に対する斜め入射を実現する必要があった。ところが、近年のプラズモニクスの研究の進展により、この問題を抜本的に解決する構成が知られるようになった。それが実施例２で導入するプラズモン共振器で、非特許文献１および特許文献１にて詳述されている。
　実施例２の光検出器（プラズモン共鳴方式量子井戸赤外検出器）１００５は、第１の金属層、誘電体層（半導体材料を含む）、および第２の金属層が積層されたタイプのプラズモン共振器に組み込まれた赤外検出器で、その基本構造を図９（ｂ）に示す。
　プラズモン共振器を構成するエリアにおいて、第１の金属層は金属層１１ｃ、誘電体層は第１のコンタクト層１１ａ、検出層１２および第２のコンタクト層１３ａ、そして第２の金属層は金属パッチ１７からなる。ここで、金属層１１ｃは半導体基板１１ｄの上に形成され、入射光１５が照射される光電エリア外には、金属層１１ｃに接して第１の金属電極１１ｂが配置されており、第２のコンタクト層１３ａに接して第２の金属電極１３ｂが配置されている。なお、半導体基板１１ｄは、図９の（ａ）に示す光検出器１００４の半導体基板１３ｄと同様にＧａＡｓ製である。
　したがって、プラズモン共鳴方式量子井戸赤外検出器１００５では、連続的な金属層１３ｃと１辺の長さＬの正方形金属パッチ１７で挟まれた部分がプラズモン共振器１８として働き、これが入射光１５の照射領域に周期Ｐで正方格子状に配列されている。
　第１の金属層および第２の金属層の材料としては、誘電率の実部が負の値をもつ導電体であれば特に制限はないが誘電率の虚部が小さいものが好ましく、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）を好んで用いることができる。また、必ずしも金属に限らずＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体を用いることもできる。
　第１の金属層と第２の金属層との間に挟まれる誘電体層の厚さは、プラズモン共鳴を起こす膜厚に設定しておくことが好ましい。具体的な範囲の目安としては、入射光の波長λに対する誘電体層の平均屈折率をｎｅｆｆとしたとき、０を超えてλ／（２ｎｅｆｆ）未満である。より具体的には、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こす厚さに設定することが好ましい。この制約により、従来の多くの光起電力型量子井戸赤外検出器で行われていたような数１０周期もの繰り返しはプラズモン共振器と組み合わせる場合には不都合である。そのため、実施例２では図３および４に示すように量子井戸構造が１周期だけの構造とした。
　＜作製方法＞
　実施例２では、実施例１にてＭＢＥ装置により結晶成長したウェハを、ウェハ接合法により別のＡｕ基板と接合した。そのために、まず量子井戸構造の最上面に位置する電子供給層側のコンタクト層上に、Ａｕ基板として、厚さ３ｎｍのＴｉと厚さ１５０ｎｍのＡｕをスパッタリングにより形成した。また、最終的な半導体基板となる第２のＧａＡｓ（１００）基板１３ｄに厚さ１０ｎｍのＴｉ、厚さ５００ｎｍのＡｕからなる金属層をスパッタリングにより形成しておいた。量子井戸を形成した基板の上下を反転させて、２つのＡｕ表面を接触させ、荷重５ＭＰａを印加しつつ、窒素ガス雰囲気下で２５０℃で６０分間加熱した。これにより、２枚のＧａＡｓ基板はＡｕを介して一体化した。この一体化によりＡｕおよびＴｉからなる金属層１１ｃが形成される。
　続いて、第１のＧａＡｓ基板を１００μｍ程度を残して、機械的に研磨し、第１のＧａＡｓ基板の残りのＧａＡｓ部分およびバッファー層を濃度１ｇ／ｍｌのクエン酸水溶液と過酸化水素水を１０：１で混合した溶液により３８℃にて選択的に除去し、ＡｌＧａＡｓ犠牲層を露出させた。最後にＡｌＧａＡｓ犠牲層をフッ酸水溶液により選択的に除去した。
　こうして、電子回収層１０９の側のコンタクト層（第２のコンタクト層１３ａ）が最表面に出た多重量子井戸構造をＡｕ基板の上に載せた状態と同等のものを作った。ここで、最表面を電子供給層１０１とするか電子回収層１０９とするかは、前述のように、第１の井戸層１０３を上面側にして多重量子井戸構造を作製するか、第１の井戸層１０３を下面側にして多重量子井戸構造を作製するかによって作り分けることができる。どちらを選択しても、特に性能の差は生じない。
　金属パッチ１７は、電子線リソグラフィとリフトオフ法により作製した。電子線レジストを塗布し、電子線により１００μｍ角（これが光検出領域となる）のエリア内にパターンを描画した後、現像により、金属パッチ１７の形状になるように電子回収層側のコンタクト層を露出させた。その上に、金属パッチ層として、厚さ３ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＡｕを成膜した。
　レジストを溶解することにより（リフトオフ法）、所定のパターンをもった金属パッチ１７を形成した。また、別途、フォトリソグラフィ法にて、コンタクト層上への第２の金属電極１３ｂの形成や、光検出器領域をメサ状に残すようにそれ以外の量子井戸部分のエッチングを行った。
　露出した金属層をそのまま第１の金属電極１１ｂとして利用した。最後に、第２のＧａＡｓ基板上の光検出器領域や電極領域を含む必要箇所を劈開により切り出し、８ピンセラミックパッケージ上に導電性エポキシによりマウントし、電極をパッケージのピンとＡｕ線にてＡｇペーストボンディングし、光検出器１００５を完成させた。
　正方形の金属パッチ１７（Ａｕパッチ）の寸法は、本研究による光検出器では、Ｌ＝０．８４μｍ、Ｐ＝２．０μｍ、比較用量子カスケード検出器では、Ｌ＝０．８８μｍ、Ｐ＝１．９μｍとした。両者のＡｕパッチ１７の寸法が異なるのは、元になるウェハ自体の感度波長が実施例１の図８でも見たように異なってしまったので、それぞれのピーク波長に合わせるためである。完成した正方形Ａｕパッチ１７の配列体の断面走査電子顕微鏡写真の例を図９（ｂ）に示す。
　＜特性＞
　本開示による光検出器と比較用量子カスケード検出器の無バイアス時のピーク感度の温度との関係を図１０にそれぞれ実線と破線で示す。図６で見た感度に比べると、同一の量子井戸構造で構成されているにもかかわらず、図１０の７７Ｋでの感度は１００ｍＡ／Ｗ台で、１０００倍以上高感度である。これが正にプラズモン共振器の効果である。また、図６と同様に、プラズモン共振器方式の光検出器でも比較用量子カスケード検出器（７７Ｋにて５７０ｍＡ／Ｗ）に比べ、本開示による実施例２の光検出器１００５（７７Ｋにて２００ｍＡ／Ｗ）の方が感度が劣る。プラズモン共振器による感度増強度はほぼ共通なためである。しかし、高温領域では、本来低感度な本開示による光検出器１００５の方が高感度になる。これは、本開示により、高温になるほど顕著なノイズの影響が抑制され、高温特性が向上したことを示している。
　なお、図６と同じく、バイアス印加時の最大感度も比較した。図１０にバイアス印加により得られた各光検出器の７７Ｋにおける最大感度を×と＋で示す。×と＋はそれぞれ、実施例２の光検出器１００５と比較用量子カスケード検出器の最大感度である。実施例２の光検出器１００５（７７Ｋ、バイアス電圧＋０．３２Ｖにて９４９ｍＡ／Ｗ）は、比較用量子カスケード検出器（７７Ｋ、バイアス電圧＋０．２０Ｖにて９３１ｍＡ／Ｗ）よりも高い感度を示した。このことは、図３および表１の量子井戸構造を採用することにより、電子が逆流なく一方向に進む特性が向上し、従来の量子カスケード検出器に比べて高性能な赤外検出器を実現できることを示唆する。
　次に、実施例２の光検出器１００５と比較用量子カスケード検出器の暗状態における無バイアス時の抵抗と温度の関係を図１１にそれぞれ実線と破線で示す。プラズモン共振器の加工により、量子井戸構造部分の抵抗はいずれもわずかに低下したが、本開示による光検出器の方が一貫して高い抵抗を示すことが明らかである。
　最後に、実施例２の光検出器１００５と比較用量子カスケード検出器の無バイアス時の比検出能と温度の関係を図１２にそれぞれ実線と破線で示す。
　図１２には白抜きと黒塗りの２種類の記号があるが、実施例１にて説明したジョンソンノイズが支配的な場合の比検出能ＤＪ ＊が白抜きである。これは先述のように、コールドシールドで暗状態にした時に観測された比検出能である。これは冷却すればしただけ向上する。
　一方、黒塗りはコールドシールドを取り除き、光検出器を３００Ｋの環境にさらして（視野角１６２度）測定した比検出能ＤＢＧ ＊である。こちらはいずれの光検出器についても低温で飽和している。コールドシールドの有無による比検出能の違いは、一定以上の高感度な赤外検出器だけで見られる特徴である。実施例１の光検出器１００２では、コールドシールドの有無によらず、比検出能に違いはなかった。これは、ジョンソンノイズが支配的な状況であることを意味し、比検出能はＤＪ ＊だけで記述できた。
　実施例２のプラズモン共振器方式の光検出器１００５の場合には、３桁以上も感度が増強された結果、比検出能は背景光限界（ＢＬＩＰ）条件という新たな領域に到達している。
　この領域では、赤外検出器を３００Ｋの環境にさらし、何らかの入射光を測定しようとしただけで、３００Ｋの環境からの輻射により光検出器に大きな光電流が流れ、その光電流によるショットノイズの方がもはやジョンソンノイズよりも支配的になっている。
　３００Ｋの環境から入射する光も、その１／２乗に比例するショットノイズも、プランクの放射により決まる主に環境由来のノイズであるので、それ以上光検出器を冷却してももはやノイズは原理的に低減できず、従って、比検出能も向上できない。
　また、光検出器の感度が十分高くなると、到達できる比検出能には絶対的な物理限界が存在し、それ以上到達することはできない。最終的に到達できる比検出能は光検出器には依存しない。このＢＬＩＰ条件が満たされること自体、光検出器が高性能であることを示している。光検出器を利用するには事実上、３００Ｋの環境にさらさざるを得ないので、ＤＪ ＊の性能が現実に観測されることはなく、光検出器の性能は背景光ショットノイズが支配的な場合の比検出能ＤＢＧ ＊で表される。
　背景光制限比検出能ＤＢＧ ＊は主に感度で決まるので、比較用量子カスケード検出器（７７Ｋにて５．６０×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）の方が実施例２の光検出器１００５（７７Ｋにて３．２８×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）よりも高い性能を示す。また、その値は物理限界に既に接近している。しかし、本開示の量子井戸設計が最適化され、より適切な電子輸送が実現できるようになれば、本開示による光検出器も比較用量子カスケード検出器と同等の性能に近づく。重要なのは感度と同様、温度依存性である。比検出能も１００Ｋ以上の高温域では本開示による光検出器の方が高い。
　赤外検出器の温度特性を一言で表す指標にＢＬＩＰ温度ＴＢＬＩＰがある。これはジョンソンノイズと背景光ショットノイズの大きさが等しくなる温度のことで、それより低温では性能が背景光ショットノイズで決まるＢＬＩＰ条件に突入することを意味する。図１２にて白抜きと黒塗りが分離し始める境界である。ＴＢＬＩＰは、比較用量子カスケード検出器の９４Ｋに対し、実施例２の光検出器１００５は９８Ｋで、本開示の方が優れている。この差は将来の量子井戸設計の向上によりさらに開くことになる。こうして、プラズモン共振器方式の場合にも、図３および表１の量子井戸構造を採用することにより、従来の量子カスケード検出器に比べて高性能な赤外検出器を実現することができた。
　なお、今回の試作では、本開示の量子井戸設計の最適化が不十分であったため、無バイアス時の特性では、高温領域での感度とＢＬＩＰ温度以外に、本開示による光検出器が比較用量子カスケード検出器を上回ることができなかった。しかし、劇的な抵抗の向上が実現できた結果、適度なバイアス電圧を印加することにより、本開示による光検出器は、比較用量子カスケード検出器を上回る背景光制限比検出能ＤＢＧ ＊を記録した。その結果を図１２に×と＋で示す。×と＋はそれぞれ、実施例２の光検出器１００５と比較用量子カスケード検出器の、３００Ｋの環境にさらした時にバイアス電圧を最適化して観測できた最大比検出能ＤＢＧ ＊である。
　光起電力型光検出器は、ただ電流計に接続するだけで使用できることが実用上重要な特徴であるので、無バイアス時の特性が主に議論される。しかし、最重要特性であるＳＮ比（比検出能）として高い性能が得られるのであれば、わずかのバイアス電圧の印加が必要とされても構わない。実際に、フォトダイオードでも逆バイアス電圧を印加して使用することが一般的であるように、実用上は多くの場合、若干のバイアス電圧を印加して使用する。
　本開示により高い抵抗が実現できた結果、若干のバイアス電圧を印加しても、流れる暗電流が実用上差し支えない程度に小さく抑制され、無バイアス時よりも高い比検出能が観測された。実施例２の光検出器１００５（７７Ｋ、バイアス電圧＋０．１８Ｖにて６．８３×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）は、比較用量子カスケード検出器（７７Ｋ、バイアス電圧＋０．０４Ｖにて６．４３×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）よりも高い性能を示した。将来、量子井戸設計の向上により、この差はさらに開くことになる。こうして、プラズモン共振器方式の場合にも、図３および表１の量子井戸構造を採用することにより、従来の量子カスケード検出器に比べて高性能な赤外検出器を実現できることを明確に示すことができた。
　（実施例３）
　実施例３では、遷移層としての機能を有する第２の井戸層１０５を薄い井戸とバリアを繰り返す超格子構造とした例を報告する。
　実施例１では、第２の井戸層１０５内にｘ＝０．３２と、子井戸として働くｘ＝０．２５の２つのＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ領域を設けたが、等価な波動関数が形成されるのであれば、必ずしも子井戸の形状は単純な１個の井戸に限定する必要はない。
　薄い井戸とバリアを繰り返す超格子構造では、複数の井戸の基底サブバンドが互いに結合して、波動関数の密集した帯状のミニバンドを形成する。ミニバンドは有限の幅をもつため、特定の状態間のエネルギー差を正確に極性光学フォノンのエネルギーである３６ｍｅＶに合わせようとするよりも、ミニバンドを利用した方が容易に頑健に高速な極性光学フォノン散乱遷移を実現することができる。
　ミニバンドを利用して設計した光検出器のバンド構造を実施例３として図１３に、その層の詳細を表３に示す。
　この事例では、第１井戸層のＳｉドーピング濃度を３×１０１８ｃｍ－３とし、高い感度を実現することを目指した。その代わりにその分低下しがちな素子抵抗を本開示の適用により高く維持できるかどうかを検証した。
　実施例３では、第２の井戸層３０５をｘ＝０．２９とｘ＝０．０８の２種類の領域で構成した。ただし、子井戸に相当する部分は１個の井戸ではなく、ｘ＝０．０８の厚さ１．４１ｎｍの極薄井戸の繰り返し（２回）で実現している。
　さらに、第３のバリア層３０６以降も厚さ１．７０ｎｍのＧａＡｓ井戸層と厚さ４．５２ｎｍ、ｘ＝０．４０のＡｌＧａＡｓバリア層の繰り返し（３回）とし、事実上、５個の井戸が結合し、５個の波動関数が帯状に密集したミニバンドを形成させた。これら５個の状態群がこれまでの状態４のように、極性光学フォノン散乱による緩和の受け入れ先として機能する。
　実施例３では、同じ構造が第６のバリア層３０８まで繰り返される。一方、実施例１で述べた図３および図４では備えられたカスケード構造は存在しない。しかし、図５にて見たように、一旦、遷移速度が桁違いに低い状態まで空間的に電子を輸送してしまえば、その後は状態１に戻ってくる可能性は極めて低くできる。そのため、そこから先は緩和を早くする特段の工夫（極性光学フォノン散乱遷移による高速緩和など）を施さなくても、電子はいずれ何らかの遷移を経て電子回収領域に緩和する。ピコ秒（ｐｓ）レベルの高速応答を必要とする用途でない限り、それで問題が生じることはない。
　実施例３の構造で実現できた無バイアス感度は、ピーク波長６．３２μｍにて１０１μＡ／Ｗであった。これは、図６に示された実施例１の光検出器１００２およびその比較例としての比較用量子カスケード検出器のいずれの構造の場合よりも劣る。高い感度が容易に得られると期待して極端に高いＳｉドーピング濃度を採用したが、バンド構造の設計がまだ不十分なため、期待通りの高い感度は得られなかった。しかしながら、無バイアス時抵抗Ｒ０Ａは８３３Ωｃｍ２で、これは非特許文献２で報告されていた従来の典型的な量子カスケード検出器（２５Ωｃｍ２）に比べると３３倍も高い値であった。
　以上から、図３で例示したようなサブバンド構造を、各層をバルク状の半導体の代わりに複数の薄いバリア層と井戸層で構成される超格子構造で実現することによっても、抵抗の高い、ノイズの低い光起電力型量子井戸赤外検出器が実現できることが確認できた。
　（まとめ）
　本開示の態様１に係る光検出器は、第１の面側から第１の導電体層、検出層、および第２の導電体層が順次配置された光検出器であって、前記検出層は、前記第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層、第２のバリア層、遷移井戸層である第２の井戸層、および第３のバリア層が順次備えられた量子井戸を有し、前記第１の井戸層は、少なくとも基底準位と励起準位とを備え、前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記励起準位より高く、前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる厚さであり、前記第２の井戸層は、２以上の準位Ａｎ（ｎは１からはじまる整数）を備え、該準位の１つである準位Ａ１は前記第２のバリア層が配置された第１の面に接し、かつ、前記励起準位と略等しく、他の準位Ａｎ′（ｎ′は２以上の整数）は前記第３のバリア層が配置された第２の面に接し、かつ前記準位Ａ１以下のエネルギーレベルである。
　本開示の態様２に係る光検出器は、態様１に係る光検出器において、前記第１の井戸層で基底準位から受光により励起された光電子が、前記第２の井戸層に輸送される。
　本開示の態様３に係る光検出器は、態様１および態様２に係る光検出器において、前記準位Ａ１と前記励起準位とのエネルギー差は、０ｍｅＶ以上１５ｍｅＶ以下である。
　本開示の態様４に係る光検出器は、第１の面側から第１の導電体層、検出層、および第２の導電体層が順次配置された光検出器であって、前記検出層は、前記第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層、第２のバリア層、遷移井戸層である第２の井戸層、および第３のバリア層が順次備えられた量子井戸を有し、前記第１の井戸層は、基底サブバンドと１個以上の高次サブバンドを有し、前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記高次サブバンドの最大のエネルギーレベルより高く、前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる厚さであり、前記第２の井戸層は、前記第２の井戸層の井戸層内の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルが、前記第２のバリア層から前記第３のバリア層に向かうほど階段状および／または傾斜状に下がる、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域で構成された２個以上のサブバンドを含む。
　本開示の態様５に係る光検出器は、態様１から態様４の何れか一態様に係る光検出器において、前記検出層内の前記第３のバリア層と前記第２の導電体層の間に、カスケード井戸層とバリア層の対が１対以上備えられたカスケード井戸層群が形成されている。
　本開示の態様６に係る光検出器は、態様５に係る光検出器において、前記カスケード井戸層は、前記第３のバリア層から前記第２の導電体層に向かうほどカスケード井戸層における基底サブバンドのエネルギーレベルが単調に低下している。
　本開示の態様７に係る光検出器は、態様１から態様６の何れか一態様に係る光検出器において、前記第１の導電体層および前記第２の導電体層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を構造物の一部として備える。
　本開示の態様８に係る光検出器は、態様７に係る光検出器において、前記混晶は、前記検出層に接する。
　本開示の態様９に係る光検出器は、検出層内に伝導帯エネルギーの高いバリア層と伝導帯エネルギーの低い井戸層を備えて、前記井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する半導体光検出器であって、第１の面側および電子供給層と、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍ（ｍは２以上の自然数）の井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、電子回収層と、が順次配置され、前記第１の井戸層は、エネルギーレベルが最も低い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの高い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して前記基底サブバンドから、前記高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドに光電子を励起し、第２の井戸層から前記第ｍの井戸層は、光電子を前記電子回収層に向かって輸送し、前記第２の井戸層は、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域から構成され、前記第２のバリア層が配置された第１の面側から前記第３のバリア層が配置された第２の面側にかけて、階段状および／または勾配状で、エネルギーレベルが単調に前記第１の面側が高く、前記第２の面側が低い２個以上のサブバンドを備える。
　本開示の態様１０に係る光検出器は、態様９に係る光検出器において、前記検出層の構成が、第１のバリア層と第（ｍ＋１）のバリア層の構造が同一であり、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍの井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、を順次配置させたものを１セットとして、第（ｍ＋１）のバリア層と、次のセットの第１バリア層を重ねて２以上のセットを直列に配置させた。
　本開示の態様１１に係る光検出器は、態様９または態様１０に係る光検出器において、前記第２の井戸層の基底サブバンドの波動関数の２乗重心位置は、前記第１の井戸層の前記基底サブバンドの波動関数の２乗重心位置から１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下離れて配置されている。
　本開示の態様１２に係る光検出器は、態様９または態様１０に係る光検出器において、前記第１の井戸層の何れかの前記高次サブバンドと前記第２の井戸層の高次サブバンドが結合し、それぞれのサブバンドを起源とする結合バンドと反結合バンドが形成されている。
　本開示の態様１３に係る光検出器は、態様１２に係る光検出器において、前記結合バンドと前記反結合バンドとのエネルギー差が０．１ｍｅＶ以上１５ｍｅＶ以下である。
　本開示の態様１４に係る光検出器は、態様１２または態様１３に係る光検出器において、前記第２井戸層の前記高次サブバンドから前記第２井戸層の前記基底サブバンドへの緩和遷移において、極性光学フォノン散乱の寄与が最大である。
　本開示の態様１５に係る光検出器は、態様１４に係る光検出器において、第２井戸層の前記高次サブバンドから前記第２井戸層の前記基底サブバンド間のエネルギー差は、１５ｍｅＶを超えて６０ｍｅＶ以下である。
　本開示の態様１６に係る光検出器は、態様９から態様１５の何れか一態様に係る光検出器において、ｍが３以上の自然数の場合は、前記第２の井戸層以降の井戸層の基底サブバンドのエネルギーレベルが順に下がっている。
　本開示の態様１７に係る光検出器は、態様１から態様１６の何れか一態様に係る光検出器において、前記第１の井戸層は、ｎ型不純物で形成されている。
　本開示の態様１８に係る光検出器は、態様１から態様１７の何れか一態様に係る光検出器において、前記検出層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１以上を含む。
　本開示の態様１９に係る光検出器は、態様１から態様１８の何れか一態様に係る光検出器において、前記第１のバリア層、前記第１の井戸層、前記第２のバリア層、前記第２の井戸層、および前記第３の井戸層の何れか１以上は、複数のバリア層と井戸層で構成される超格子構造を有する。
　本開示の態様２０に係る光検出器は、検出層内に価電子帯エネルギーの低いバリア層と価電子帯エネルギーの高い井戸層を備えて、前記井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する半導体光検出器であって、ホール供給層と、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍ（ｍは２以上の自然数）の井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層、およびホール回収層が第１の面側から順次配置され、前記第１の井戸層は、エネルギーレベルが最も高い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの低い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して前記基底サブバンドから、前記高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドにホールを励起し、第２の井戸層、第３の井戸層、・・・前記第ｍの井戸層は、ホールを前記ホール回収層に向かって輸送し、前記第２の井戸層は、価電子帯エネルギーの異なる複数の領域から構成され、前記第２のバリア層が配置された第１の面側から前記第３のバリア層が配置された第２の面側にかけて、階段状および／または勾配状で、エネルギーレベルが単調に前記第１の面側が低く、前記第２の面側が高い２個以上のサブバンドを備える。
　本開示の態様２１に係る光検出器は、態様１から態様２０の何れか一態様に係る光検出器において、前記第１の面側に接するように、または、前記第１の面側の上方に、プラズモン共鳴を引き起こす島状の金属パッチまたは開口部が周期的に配置されている金属メッシュが形成されている。
　本開示の態様２２に係る光検出器は、態様２１に係る光検出器において、前記金属パッチは、アレー状および／またはマトリックス状に配列配置されている。
　本開示の態様２３に係る光検出器態様２２に係る光検出器において、前記金属パッチの配列ピッチは、０．５μｍ以上２００μｍ以下である。
　本開示により、ＳＮ比に優れる高い検出能が得られる量子井戸型光検出器が提供される。このような光検出器は、民生用、産業用および軍事用のセンサーやカメラなど多岐に渡る用途がある。
　したがって、本開示は、社会的に大きなインパクトを有し、産業に与える影響も大きいと考える。
１：第１の導電体層
１ａ：第１のコンタクト層、第１の導電性層
１ｂ：第１の金属電極
２：検出層
３ａ：第２のコンタクト層、第２の導電性層
３ｂ：第２の金属電極
１１：第１の導電体層
１１ａ：第１のコンタクト層
１１ｂ：第１の金属電極
１１ｃ：金属層
１１ｄ：半導体基板
１２：検出層
１３：第２の導電体層
１３ａ：第２のコンタクト層
１３ｂ：第２の金属電極
１３ｃ：基板、金属層（導電体膜）
１３ｄ：半導体基板
１５：光線
１７：金属パッチ、Ａｕパッチ
１８：プラズモン共振器
２１ａ：第１のコンタクト層
２１ｂ：第１の金属電極
２１ｃ：基板
２２：検出層
２３ａ：第２のコンタクト層
２３ｂ：第２の金属電極
２５：光線
１０１：電子供給層、コンタクト層
１０２：第１のバリア層
１０３：第１の井戸層
１０４：第２のバリア層
１０５：第２の井戸層
１０６：第３のバリア層
１０７：第３の井戸層
１０８：第７のバリア層
１０９：電子回収層、コンタクト層
２０１：電子供給層、コンタクト層
２０２：第１のバリア層
２０３：第１の井戸層
２０４：第２のバリア層
２０５：第２の井戸層
２０６：第３のバリア層
２０７：第３の井戸層
２０８：第８のバリア層
２０９：電子回収層、コンタクト層
３０１：電子供給層、コンタクト層
３０２：第１のバリア層
３０３：第１の井戸層
３０４：第２のバリア層
３０５：第２の井戸層
３０６：第３のバリア層
３０７：第３の井戸層
３０８：第６のバリア層
３０９：電子回収層、コンタクト層
１００１：光検出器
１００２：光検出器
１００３：光検出器
１００４：光検出器、プラズモン共鳴方式量子井戸赤外検出器
１００５：光検出器、プラズモン共鳴方式量子井戸赤外検出器
 

 

Claims (23)

  1. 　第１の面側から第１の導電体層、検出層、および第２の導電体層が順次配置された光検出器であって、
    　前記検出層は、前記第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層、第２のバリア層、遷移井戸層である第２の井戸層、および第３のバリア層が順次備えられた量子井戸を有し、
    　前記第１の井戸層は、少なくとも基底準位と励起準位とを備え、
    　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記励起準位より高く、
    　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる厚さであり、
    　前記第２の井戸層は、２以上の準位Ａｎ（ｎは１からはじまる整数）を備え、該準位の１つである準位Ａ１は前記第２のバリア層が配置された第１の面に接し、かつ、前記励起準位と略等しく、他の準位Ａｎ′（ｎ′は２以上の整数）は前記第３のバリア層が配置された第２の面に接し、かつ前記準位Ａ１以下のエネルギーレベルである、光検出器。
  2. 　前記第１の井戸層で基底準位から受光により励起された光電子が、前記第２の井戸層に輸送される、請求項１に記載の光検出器。
  3. 　前記準位Ａ１と前記励起準位とのエネルギー差は、０ｍｅＶ以上１５ｍｅＶ以下である、請求項１または２に記載の光検出器。
  4. 　第１の面側から第１の導電体層、検出層、および第２の導電体層が順次配置された光検出器であって、
    　前記検出層は、前記第１の導電体層に接する面側から、第１のバリア層、励起井戸層である第１の井戸層、第２のバリア層、遷移井戸層である第２の井戸層、および第３のバリア層が順次備えられた量子井戸を有し、
    　前記第１の井戸層は、基底サブバンドと１個以上の高次サブバンドを有し、
    　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルは前記高次サブバンドの最大のエネルギーレベルより高く、
    　前記第１のバリア層、前記第２のバリア層および前記第３のバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる厚さであり、
    　前記第２の井戸層は、前記第２の井戸層の井戸層内の伝導帯エネルギーのエネルギーレベルが、前記第２のバリア層から前記第３のバリア層に向かうほど階段状および／または傾斜状に下がる、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域で構成された２個以上のサブバンドを含む、光検出器。
  5. 　前記検出層内の前記第３のバリア層と前記第２の導電体層の間に、カスケード井戸層とバリア層の対が１対以上備えられたカスケード井戸層群が形成されている、請求項１から４の何れか１項に記載の光検出器。
  6. 　前記カスケード井戸層は、前記第３のバリア層から前記第２の導電体層に向かうほどカスケード井戸層における基底サブバンドのエネルギーレベルが単調に低下している、請求項５に記載の光検出器。
  7. 　前記第１の導電体層および前記第２の導電体層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を構造物の一部として備える、請求項１から６の何れか１項に記載の光検出器。
  8. 　前記混晶は、前記検出層に接する、請求項７に記載の光検出器。
  9. 　検出層内に伝導帯エネルギーの高いバリア層と伝導帯エネルギーの低い井戸層を備えて、前記井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する光検出器であって、
    　電子供給層と、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍ（ｍは２以上の自然数）の井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、電子回収層と、が第１の面側から順次配置され、
    　前記第１の井戸層は、エネルギーレベルが最も低い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの高い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して前記基底サブバンドから、前記高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドに光電子を励起し、
    　第２の井戸層から前記第ｍの井戸層は、光電子を前記電子回収層に向かって輸送し、
    　前記第２の井戸層は、伝導帯エネルギーの異なる複数の領域から構成され、前記第２のバリア層が配置された第１の面側から前記第３のバリア層が配置された第２の面側にかけて、階段状および／または勾配状で、エネルギーレベルが単調に前記第１の面側が高く、前記第２の面側が低い２個以上のサブバンドを備える、光検出器。
  10. 　前記検出層の構成が、第１のバリア層と第（ｍ＋１）のバリア層の構造が同一であり、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍの井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、を順次配置させたものを１セットとして、第（ｍ＋１）のバリア層と、異なるセットの第１のバリア層を重ねて２つ以上のセットを直列に配置させた、請求項９に記載の光検出器。
  11. 　前記第２の井戸層の基底サブバンドの波動関数の２乗重心位置は、前記第１の井戸層の前記基底サブバンドの波動関数の２乗重心位置から１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下離れて配置されている、請求項９または１０に記載の光検出器。
  12. 　前記第１の井戸層の何れかの前記高次サブバンドと前記第２の井戸層の高次サブバンドが結合し、それぞれのサブバンドを起源とする結合バンドと反結合バンドが形成されている、請求項９または１０に記載の光検出器。
  13. 　前記結合バンドと前記反結合バンドとのエネルギー差が０．１ｍｅＶ以上１５ｍｅＶ以下である、請求項１２に記載の光検出器。
  14. 　前記第２井戸層の前記高次サブバンドから前記第２井戸層の前記基底サブバンドへの緩和遷移において、極性光学フォノン散乱の寄与が最大である、請求項１２または１３に記載の光検出器。
  15. 　前記第２井戸層の前記高次サブバンドから前記第２井戸層の前記基底サブバンド間のエネルギー差は、１５ｍｅＶを超えて６０ｍｅＶ以下である、請求項１４に記載の光検出器。
  16. 　ｍが３以上の自然数の場合は、前記第２の井戸層以降の井戸層の基底サブバンドのエネルギーレベルが順に下がっている、請求項９から１５の何れか１項に記載の光検出器。
  17. 　前記第１の井戸層は、ｎ型不純物で形成されている、請求項１から１６の何れか１項に記載の光検出器。
  18. 　前記検出層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１以上を含む、請求項１から１７の何れか１項に記載の光検出器。
  19. 　前記第１のバリア層、前記第１の井戸層、前記第２のバリア層、前記第２の井戸層、および前記第３の井戸層の何れか１以上は、複数のバリア層と井戸層で構成される超格子構造を有する、請求項１から１８の何れか１項に記載の光検出器。
  20. 　検出層内に価電子帯エネルギーの低いバリア層と価電子帯エネルギーの高い井戸層を備えて、前記井戸層に生じるサブバンド間の吸収を利用して光電流を生成する光検出器であって、
    　ホール供給層と、第１のバリア層および第１の井戸層から第ｍ（ｍは２以上の自然数）のバリア層および第ｍ（ｍは２以上の自然数）の井戸層までの各バリア層および井戸層と、第（ｍ＋１）のバリア層と、ホール回収層と、が第１の面側から順次配置され、
    　前記第１の井戸層は、エネルギーレベルが最も高い基底サブバンドと、前記基底サブバンドよりエネルギーレベルの低い１個以上の高次サブバンドを備え、光を吸収して前記基底サブバンドから、前記高次サブバンドのいずれかあるいは複数からなる励起サブバンドにホールを励起し、
    　第２の井戸層、第３の井戸層、・・・前記第ｍの井戸層は、ホールを前記ホール回収層に向かって輸送し、
    　前記第２の井戸層は、価電子帯エネルギーの異なる複数の領域から構成され、第２のバリア層が配置された第１の面側から第３のバリア層が配置された第２の面側にかけて、階段状および／または勾配状で、エネルギーレベルが単調に前記第１の面側が低く、前記第２の面側が高い２個以上のサブバンドを備える、光検出器。
  21. 　前記第１の面側に接するように、または、前記第１の面側の上方に、プラズモン共鳴を引き起こす島状の金属パッチまたは開口部が周期的に配置されている金属メッシュが形成されている、請求項１から２０の何れか１項に記載の光検出器。
  22. 　前記金属パッチは、アレー状および／またはマトリックス状に配列配置されている、請求項２１に記載の光検出器。
  23. 　前記金属パッチの配列ピッチは、０．５μｍ以上２００μｍ以下である、請求項２２に記載の光検出器。
     
PCT/JP2025/007037 2024-03-01 2025-02-28 光検出器 Pending WO2025183136A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024031328 2024-03-01
JP2024-031328 2024-03-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025183136A1 true WO2025183136A1 (ja) 2025-09-04

Family

ID=96921557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2025/007037 Pending WO2025183136A1 (ja) 2024-03-01 2025-02-28 光検出器

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2025183136A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012253133A (ja) * 2011-06-01 2012-12-20 Hamamatsu Photonics Kk 光検出器
WO2013024624A1 (ja) * 2011-08-12 2013-02-21 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケード検出器
WO2013172269A1 (ja) * 2012-05-16 2013-11-21 浜松ホトニクス株式会社 光検出器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012253133A (ja) * 2011-06-01 2012-12-20 Hamamatsu Photonics Kk 光検出器
WO2013024624A1 (ja) * 2011-08-12 2013-02-21 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケード検出器
WO2013172269A1 (ja) * 2012-05-16 2013-11-21 浜松ホトニクス株式会社 光検出器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Livache et al. A colloidal quantum dot infrared photodetector and its use for intraband detection
Wadhwa et al. A strategic review of recent progress, prospects and challenges of MoS2-based photodetectors
US10290753B2 (en) Mid-infrared photodetectors
KR101335193B1 (ko) 무기 매트릭스에 임베딩된 터널링 장벽을 갖는 양자점을가진 중간대 감광성 장치
US10439093B2 (en) Antenna-assisted photovoltaic graphene detectors
Li et al. Mid-wavelength infrared avalanche photodetector with AlAsSb/GaSb superlattice
JP2022524919A (ja) 積層されたコロイド状量子ドットフォトダイオードを使用したマルチバンド赤外線イメージング
Sharma et al. Recent advancements in nanomaterials for near‐infrared to long‐wave infrared photodetectors
Ma et al. Lattice-mismatched PbTe/ZnTe heterostructure with high-speed midinfrared photoresponses
US7282777B1 (en) Interband cascade detectors
JPH10326906A (ja) 光検出素子及び撮像素子
Jagadish et al. Advances in infrared photodetectors
US20240170592A1 (en) Semimetal-Monolayer Transition Metal Dichalcogenides Photodetectors for Wafer-Scale Broadband Photonics
Greboval et al. Infrared narrow band gap nanocrystals: recent progresses relative to imaging and active detection
US9698286B2 (en) Quantum well infrared photodetectors using II-VI material systems
Sachinthanie et al. A review on HgTe colloidal quantum dot infrared photodetectors
US8530995B2 (en) High operating temperature split-off band infrared detector with double and/or graded barrier
Buffaz et al. State of the art of quantum cascade photodetectors
JP2023162492A (ja) 光検出器およびその使用方法
Tuna et al. Photodetector properties of CdTe thin films and CdTe/Si heterojunctions produced by pulse laser ablation
Livache Quantum-confined nanocrystals for infrared optoelectronics: Carrier dynamics and intraband transitions
CN104183658A (zh) 一种势垒级联量子阱红外探测器
Lhuillier et al. What the Inheritance of IV–VI and II–VI Semiconductors Teaches Us for the Quest of Heavy Metal-Free Nanocrystals Dedicated to Infrared Detection
CN205723564U (zh) 宽光谱量子级联红外探测器
CN205810833U (zh) 势垒级联量子阱红外探测器

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 25762048

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1